光与原子相互作用理论,在非线性光学以及激光冷却等领域有着广泛的应用。基于热铷蒸汽池子中的双人非简并四波混频过程已经成为制备压缩态、纠缠态的重要技术。而建立在光与二能级原子相互作用基础上的多普勒冷却也早已成为冷原子实验的基本手段。本论文内容主要分为两大部分：基于热铷蒸汽池子的四波混频过程实现的双模相敏放大器与超弱光水平下的全光晶体管,以及利用Helium-4原子质量轻,跃迁谱线自然线宽窄等特性,在实验上观测到多普勒极限的三维激光冷却。主要研究内容如下：1.通过同时注入两束弱探针光和共轭光以及一束强泵浦光到热铷蒸汽池子中,使得之前的非相敏四波混频放大器,变成双模相敏放大器。该类型放大器的输入输出关系,预测了一些有趣的新量子特性,如相同增益下,相比非相敏放大器,输出探针光与共轭光之间的最大强度差压缩增强了接近3 dB；输出探针光与共轭光之间的强度和压缩成为可能；通过操控输入光的相位,可改变探针光与共轭光之间的正交分量纠缠类型。在实验上也观测到了与理论预测相符合的放大缩小现象以及干涉对比度随各类实验参数的变化规律。这部分内容主要在第二章中予以介绍。2.基于热铷蒸汽四波混频效应产生的圆锥辐射,在实验上实现超弱光水平下的全光晶体管。注入探针光的光强低至180 pW时,即可实现输出端功率为0.9mW探针光50%的开关效率。这意味着通过一束弱光即可控制比之强5.0×106倍的强光,这也正是晶体管的特征之一。该系统与其他全光器件有两大显著的区别：增益倍数远远高于其他装置以及无需反馈,单次通过铷池即可实现。本论文第三章主要介绍该全光晶体管。3.在第四章中,主要介绍用于冷却亚稳态Helium-4原子的实验装置,以及在此装置中观测到多普勒极限的三维激光冷却。Helium-4原子质量轻,跃迁谱线23S1→23P2自然线宽窄等特性,使得亚多普勒冷却在此系统中被大大地抑制住。制备的磁光阱以及红失谐光学黏团可以很好的用多普勒冷却理论描述。磁光阱原子团与红失谐光学黏团的温度,磁光阱原子团尺寸,以及功率不平衡下光学黏团漂移速度与多普勒冷却理论符合得非常好,从而验证了该理论模型。特别地,在红失谐量为半个自然线宽以及弱光极限下,实验观测到的最小冷却温度为1.3TD(TD为多普勒极限)。