相干原子介質(zhì)中弱光非線性光學(xué)效應(yīng)的研究.pdf

1、自從激光發(fā)明以來,非線性光學(xué)的研究引起了人們的極大關(guān)注并得到了十分廣泛的應(yīng)用。該方面的研究加深了人們對光與物質(zhì)相互作用特性的認(rèn)識,大大拓展了傳統(tǒng)光學(xué)的研究范圍。利用非線性光學(xué)效應(yīng)可得到新的相干光源,解決光物理和光技術(shù)中的許多問題；利用非線性光學(xué)效應(yīng)和激光技術(shù)可對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)進(jìn)行深入的探索；另外,非線性光學(xué)的研究在量子計(jì)算與量子信息科學(xué)方面也有極其重要的應(yīng)用。光與物質(zhì)相互作用過程中出現(xiàn)的豐富多彩的非線性現(xiàn)象,是非線性物理學(xué)最為重

2、要的研究內(nèi)容之一。長期以來,為了得到較強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng),人們主要研究強(qiáng)激光場與介質(zhì)的非共振相互作用,即強(qiáng)光非線性光學(xué)。 在非線性光學(xué)發(fā)展的早期,人們就意識到在光場與介質(zhì)發(fā)生共振的情況下,既使較弱的入射光強(qiáng)也能得到很大的非線性光學(xué)效應(yīng)。但是由于共振介質(zhì)對光場有強(qiáng)烈的吸收,人們一直認(rèn)為利用共振介質(zhì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)非線性光學(xué)過程是不現(xiàn)實(shí)的。近年來,電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency,

3、簡稱EIT)的發(fā)現(xiàn)和深入研究為在共振介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)弱光條件下的強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)(即弱光非線性光學(xué))打開了一個(gè)突破口。所謂EIT是利用外加控制光場所誘導(dǎo)的量子干涉效應(yīng)消除共振介質(zhì)對探測光場的吸收。除此之外,EIT還可使介質(zhì)的非線性光學(xué)極化率顯著增強(qiáng),使其色散性質(zhì)產(chǎn)生重大改變,從而導(dǎo)致很強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)并可使探測光場的群速度大為減慢。盡管近十多年來對光脈沖在EIT體系中的傳播有許多出色工作,但大多集中在與之有關(guān)的線性光學(xué)效應(yīng)方面。近幾年開始了

4、EIT系統(tǒng)中超慢光孤子等弱光非線性光學(xué)效應(yīng)的研究,但對EIT介質(zhì)的瞬態(tài)光學(xué)響應(yīng)特性、超慢光孤子和孤子列的產(chǎn)生機(jī)制、多分量超慢光孤子、利用EIT體系實(shí)現(xiàn)高效多波混頻等還研究得較少或不夠深入,有關(guān)的物理問題及其相關(guān)的理論還需進(jìn)一步的探索和完善。 本文利用導(dǎo)師研究小組近年來發(fā)展的共振非線性光學(xué)多重尺度理論和數(shù)值模擬方法對相干原子介質(zhì)中弱光非線性光學(xué)效應(yīng)的有關(guān)物理特性進(jìn)行了深入的研究。我們首先探討了如何在EIT介質(zhì)中利用調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生

5、超慢光孤子與孤子列的問題；接著研究了EIT介質(zhì)的瞬態(tài)非線性光學(xué)響應(yīng)特性；然后研究了EIT介質(zhì)中時(shí)間光孤子和空間光孤子的形成條件與傳播特性；最后研究了如何利用EIT特性在多能級原子體系中實(shí)現(xiàn)高效的四波混頻。本文的工作主要包括以下幾個(gè)方面： 1.EIT體系中超慢光孤子的可能性已有許多理論預(yù)言。由于其穩(wěn)定的傳播特性和極低的產(chǎn)生功率,這樣的光孤子在光信息處理和光學(xué)工程中有潛在的應(yīng)用。但如何在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生這樣的孤子一直是人們十分關(guān)心的問題。

6、我們研究了如何在三能級A型EIT介質(zhì)中利用探測光場的調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生超慢光孤子與孤子列的問題。從Maxwell-Schrodinger方程出發(fā),利用多重尺度方法導(dǎo)出了描述探測光場包絡(luò)的非線性Schrodinger方程。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),原始的Maxwell-Schrodinger方程的調(diào)制不穩(wěn)定區(qū)間可由非線性Schrodinger方程的系數(shù)確定。在該系統(tǒng)中,初始入射的平面波通過非線性效應(yīng)可被調(diào)制為一列孤子或單個(gè)孤子。所得數(shù)值結(jié)果與直接由

7、非線性Schrodinger方程給出的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)比較。在現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)參數(shù)條件下,利用近似理論中的解析結(jié)果作為初始入射條件證明了在體系中確實(shí)可以通過探測光場的調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生一個(gè)或一列孤子。所得結(jié)果為在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生慢光孤子提供了有益的理論指導(dǎo)。 2.由于其顯著增強(qiáng)的Kerr非線性效應(yīng),EIT效應(yīng)可被用來制作低功率光學(xué)開關(guān)等低功率光學(xué)器件,其瞬態(tài)光學(xué)響應(yīng)特性是值得深入研究的一個(gè)重要課題。我們研究了光場與EIT介質(zhì)相互作用時(shí)介質(zhì)對

8、光場的線性與非線性瞬時(shí)響應(yīng)特性。從四能級N-型原子系統(tǒng)的密度矩陣方程出發(fā),利用多重尺度法,考慮原子基態(tài)的損耗,計(jì)算了探測光場的瞬態(tài)線性與非線性極化率,給出了自相位調(diào)制與交叉相位調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致的瞬態(tài)非線性極化率表達(dá)式。以前文獻(xiàn)中給出的結(jié)果是直接從振幅方程出發(fā),在基態(tài)無損耗近似下給出的。經(jīng)比較后我們發(fā)現(xiàn)基態(tài)損耗對非線性極化率的貢獻(xiàn)很大,一般是不能忽略的。因?yàn)槲覀儼l(fā)展的理論方法具有一般性,因而也適用于其它多能級體系瞬態(tài)光學(xué)響應(yīng)特性的研究。

9、 3.EIT體系中的單分量光孤子已有了較多的研究,但多分量孤子也是一個(gè)有趣且重要的課題。我們研究了Ladder型四能級EIT體系中的兩分量時(shí)間光孤子和兩分量空間光孤子的形成條件與傳播特性。從Maxwell-Schrodinger方程出發(fā),利用多重尺度法我們得到了兩個(gè)耦合的Ginzberg-Landau方程。我們證明了,由于EIT效應(yīng)Ginzberg-Landau方程組系數(shù)的虛部遠(yuǎn)小于其實(shí)部,從而它們可約化為兩個(gè)耦合的非線性Schrod

10、inger方程。我們分別研究了單分量、雙分量的時(shí)間光孤子與單分量、雙分量的空間光孤子的形成與傳播特性。我們證明了產(chǎn)生這樣的光孤子只需很低的入射功率。并通過數(shù)值模擬證明了在弱光條件下產(chǎn)生的時(shí)間、空間光孤子可在原子介質(zhì)中穩(wěn)定的傳播,且碰撞后孤子仍保持原來的特性。 4.由于可以顯著增強(qiáng)介質(zhì)的非線性光學(xué)極化率,EIT效應(yīng)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用是多波混頻。我們提出了一種實(shí)驗(yàn)方案,既在六能級系統(tǒng)中利用EIT效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效的四波混頻,用以產(chǎn)生短波

11、長輻射。我們證明了利用體系的雙暗態(tài)和多光子相消干涉可大大消除介質(zhì)對泵浦光場的吸收。另外,若工作在超慢傳播區(qū),泵浦場和FWM場具有匹配的超慢群速度從而有較長的相互作用時(shí)間,由此可大大提高四波混頻的轉(zhuǎn)換效率。我們從解析和數(shù)值兩個(gè)方面詳細(xì)研究了泵浦場和四波混頻場之間的能量轉(zhuǎn)換以及四波混頻場的產(chǎn)生過程,得到了相互一致的結(jié)論。與EIT有關(guān)的非線性光學(xué)效應(yīng)的研究不僅對于相干介質(zhì)弱光非線性光學(xué)基本理論的發(fā)展與完善,而且對于弱光非線性光學(xué)器件的研制和光