论文部分内容阅读
近些年来,电磁感应光透明已经成为现代光学以及量子计算的重要研究课题。人们提出了许多以EIT特性为基础的设想并使其得以实现,量子光学中的电磁感应光透明可以有效地改变以及控制传输光场的色散特性,同时有效克服吸收.利用这种改进的色散与吸收关系,已经成功地实现了光脉冲的减速与静止。在2003年,实验上实现的静止光脉冲吸引了许多学者的关注。其中,在原子介质中不仅能实现光速减慢,而且可以实现光信号的完全静止,存储以及提取。这一现象对光学数据存储、光网络、光信息等相关领域都有着重要的应用价值。(?)我们的工作主要是基于电磁感应光透明导致的群速度减慢直至静止,在介质中制备静止的光脉冲。我们所设计的理论能级图如图1所示,通过时间调制两个反向传播的强耦合场在介质中实现静止的光脉冲,并且详细讨论系统对称性,以及耦合场的初相位对静止光脉冲形成所产生的影响,并给出相应的解决方案。我们以光与物质相互作用的半经典理论为基础,在偶极近似和旋转波近似条件下,从系统的相互作用哈密顿出发,推得系统密度矩阵方程组。我们在慢变化近似条件下给出系统的麦克斯韦波动方程,数值模拟静止光的制备、存储和提取。我们具体考虑相干驱动的四能级双Λ型原子系统,通过时间调制两个反向传播的强耦合场来制备静止光脉冲的存储和提取。我们将整个过程分为三个阶段来讨论:探测脉冲的输入,静止光脉冲的形成,存储脉冲的提取。首先考虑两个强耦合场的拉比频率相同,并且两个高能级的自发弛豫速率也相同时对应的对称系统。在第一阶段,开启前向耦合场,探测脉冲缓慢进入原子介质,当脉冲完全进入介质中后,绝热关闭前向耦合场,脉冲存储在自旋相干上。第二阶段,经过一段弛豫时间之后,同时开启前向和后向耦合场,此时自旋相干同时释放出一个前向和后向传播的探测脉冲分量。在两个反向传播的强耦合场与原子耦合的作用下,光脉冲静止在原子样品的固定位置上,而且此过程可逆。产生静止光脉冲的过程伴随着自旋相干分量和光学相干分量的激发,两个弱信号随着耦合场的打开而出现,随着耦合场的关闭而消失。第三阶段,经过一段弛豫时间之后,开启前向(后向)耦合场,我们可以在前向(后向)方向提取存储的光脉冲。(?)在以前的静态光制备研究中,大多采用传统的相干驻波驱动的三能级原子系统。由于在这种系统中存在双色场耦合的情况,所以当两个强耦合场同时开启的时候,系统就会耦合激发出高阶的自旋相干和光学相干项,这些高阶相干项会引起静态光强烈的色散和损耗。而我们讨论所采用的是双Λ型四能级原子系统,能级间都是单色场耦合,从而避免了高阶自旋相干和光学相干项的影响。我们所采用的模型与以往的原子模型相比较最大的优点就是,我们所制备的静态光的损耗和色散都很小。其次,我们分两种情况考虑非对称系统中静止光脉冲的制备。第一种情况:两个较高能级向两个低能级自发弛豫速率相同,两个强耦合场的拉比频率不等;第二种情况:两个强耦合场的拉比频率相同,但是两个较高能级向两个低能级的自发弛豫速率不等。静止光的制备过程与对称系统中的制备过称相同。我们以两个上能级向两个低能级的自发弛豫速率相同,而两个耦合场的拉比频率不等的非对称系统为例,模拟发现同时打开两个耦合场时,光脉冲在介质中是运动的。这样我们就可以通过调节两个耦合场的强度来控制光脉冲的静止或者运动,以及光脉冲在介质中的运动速度和运动方向。但是我们发现如果所选取的能级系统中自发弛豫速率不等的时候,若还是使用对称的两个反向传播的耦合场,那么在介质中就不会形成静止的光信号。针对这种情况,我们探索总结了耦合场强度和自发弛豫速率的正比例关系,适当地调节两个耦合场的取值大小,可以在介质中重新制备静止的光脉冲,所产生的静止光脉冲的幅度与对称系统中制备的静止光脉冲幅度完全一致。这样,我们总结出了随着能级间自发弛豫速率的不同而制备静态光脉冲的重要条件——耦合场强度与自发弛豫速率成正比关系。(?)接下来,我们分析了耦合场的相对相位对静止光制备所产生的影响,发现耦合场的相对相位只改变后向传播的探测场相位,而不影响静态光脉冲的制备。我们的研究工作进一步优化了静止光脉冲的形成过程,并且将系统的对称性和耦合场的相对相位等因素对静止光脉冲产生的影响全部考虑在内。我们的数值模拟结果和详细分析表明,我们实现了一个全光控的信息处理过程。此外,我们所采用的双Λ型四能级原子系统在理论计算上更加简便。除此之外,我们选取独立的行波场,从而避免了高阶自旋相干和光学相干项所带来的快速弛豫,减小了探测脉冲在传播过程中的色散损耗。我们的研究结果为光信息的存储、多通道提取光信息、光网络等领域提供了坚实的理论基础。