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重要課題。我們研究了光場與EIT介質(zhì)相互作用時介質(zhì)對

8、光場的線性與非線性瞬時響應(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