本文關(guān)鍵詞：相干原子介質(zhì)中光學(xué)怪波及其磁光控制研究　出處：《華東師范大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：怪波(rogue waves),最早出現(xiàn)在海洋中,由于其突然出現(xiàn)且振幅極大,對海面上的石油鉆井平臺和船只具有極強的破壞力,也被稱為"海洋殺手"。近年來,對怪波的研究,早已不僅僅局限于海洋,更延伸到了等離子系統(tǒng)、光纖及諧振腔、玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensates)、以及金融等領(lǐng)域。其中,光學(xué)怪波(optical rogue waves)由于其廣泛的應(yīng)用而備受人們的關(guān)注。光學(xué)怪波最早由Solli等人在非線性光纖中觀察到。他們利用離散傅里葉變換技術(shù)捕捉發(fā)生在時域中的高速事件,發(fā)現(xiàn)超連續(xù)發(fā)生譜中某些波長的光具有極高的振幅,通過與海洋怪波比較,他們認(rèn)為這些具有極高振幅的光波就是"光學(xué)怪波"。光學(xué)怪波的產(chǎn)生在傳統(tǒng)介質(zhì)中非常困難,這是因為傳統(tǒng)介質(zhì)(例如光纖或者光學(xué)波導(dǎo))的非線性效應(yīng)非常微弱,因此需要很大的輸入功率或很短的脈沖時間來提高輸入光的強度,進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)生光學(xué)怪波所需的非線性效應(yīng)。另一方面,盡管通過光與介質(zhì)的共振機制可以顯著的提高體系的非線性效應(yīng),但往往伴隨著嚴(yán)重的共振吸收,導(dǎo)致光脈沖的嚴(yán)重衰減和畸變。電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency;EIT)技術(shù)的提出,為克服上述困難帶來了轉(zhuǎn)機。EIT機制是通過引入第二束控制光場,使原子介質(zhì)對第一束探測光場的吸收得到抑制,其核心是通過引入控制光使相干原子對探測光的吸收通道之間發(fā)生相消干涉。本文提出利用EIT和非相干泵浦相結(jié)合,實現(xiàn)在相干原子介質(zhì)中產(chǎn)生和傳播Peregrine光學(xué)怪波,以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子的新機制,并研究外加梯度磁場下光學(xué)怪波和呼吸子的傳播軌道如何發(fā)生偏轉(zhuǎn)。特別地,通過設(shè)計梯度磁場可使光學(xué)怪波和呼吸子繞過障礙物,實現(xiàn)對這些光學(xué)非線性局域態(tài)的主動操控。近些年來,學(xué)者們對光學(xué)怪波的研究已經(jīng)由單分量光場拓展到雙分量光場(矢量光場)。本文提出利用雙EIT機制實現(xiàn)矢量Peregrine光學(xué)怪波,以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子。我們還將研究EIT條件下高維矢量呼吸子不同偏振分量在梯度磁場中的偏折來類比原子的斯特恩—蓋拉赫(Stern-Gelarch)效應(yīng)。對比之前關(guān)于EIT條件下高維矢量光孤子的斯特恩—蓋拉赫效應(yīng)的工作,呼吸子的強度最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孤子的強度最大值,因此更容易在實驗中被測量。這項工作對于梯度磁場的精密測量非常有價值。本論文的研究工作主要集中在以下兩個部分:一.三能級A型冷原子EIT系統(tǒng)中的弱光Peregrine光學(xué)怪波,以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子及其主動操控研究。首先,利用光與物質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論,在電偶極近似、旋轉(zhuǎn)波近似、和慢變包絡(luò)近似下,推導(dǎo)光與原子相互作用系統(tǒng)的Maxwell-Bloch方程組。其次,在EIT條件下,利用多重尺度展開法對原子系統(tǒng)的Maxwell-Bloch方程進(jìn)行逐級求解,推導(dǎo)出探測光包絡(luò)在原子介質(zhì)中的非線性傳播方程(即非線性薛定諤方程),并得到非線性薛定諤方程的Peregrine怪波解以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子解。然后,將Peregrine怪波解以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子解作為初始條件進(jìn)行數(shù)值演化,對產(chǎn)生功率進(jìn)行估算,并比較有無非相干泵浦對形成光學(xué)怪波和呼吸子的影響。結(jié)果表明:(1)該系統(tǒng)可支持穩(wěn)定傳播的Peregrine光學(xué)怪波,以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子;(2)由于該系統(tǒng)的非線性效應(yīng)得到共振增強,產(chǎn)生光學(xué)怪波和呼吸子所需的輸入功率很低;(3)由于非相干泵浦可以進(jìn)一步遏制原子系統(tǒng)的光學(xué)吸收,有非相干泵浦時光學(xué)怪波和呼吸子的傳播會更加穩(wěn)定。最后,發(fā)現(xiàn)在外加梯度磁場時,Kuznetsov-Ma呼吸子的傳播軌跡呈現(xiàn)拋物線,甚至可以繞過障礙物。這對光信號的傳輸有著潛在的應(yīng)用價值。二.五能級雙EIT系統(tǒng)中的矢量Peregrine光學(xué)怪波,以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子及其與原子斯特恩一蓋拉赫效應(yīng)的類比研究。首先,使用第一部分的理論和方法推導(dǎo)光與原子相互作用系統(tǒng)的Maxwell-Bloch方程組,并進(jìn)而在EIT條件下導(dǎo)出探測光包絡(luò)在原子介質(zhì)中的非線性傳播方程(即耦合非線性薛定諤方程),得到耦合非線性薛定諤方程的矢量Peregrine怪波解以及Akhmediev和Kuznetsov-Ma呼吸子解。然后,將所得到的矢量怪波解以及呼吸子解作為初始條件進(jìn)行數(shù)值演化,對其產(chǎn)生功率做出估算,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生矢量光學(xué)怪波和呼吸子所需的輸入功率很低。此外,還研究了一對Peregrine光學(xué)怪波以及Kuznetsov-Ma呼吸子之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)相互作用(吸引或排斥)決定于相對相位。最后,研究矢量Kuznetsov-Ma呼吸子不同偏振分量在梯度磁場下的偏折,以此類比原子的斯特恩一蓋拉赫效應(yīng)。結(jié)果表明,矢量呼吸子的不同偏振分量可以有不同的偏轉(zhuǎn)角,這是因為兩個分量的傳播速度可以不同。因為呼吸子的強度峰值遠(yuǎn)大于背景波的強度峰值,其偏折角更容易在實驗中被測量,有助于精確的估計梯度磁場的值。該體系在磁場的精密測量領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。
[Abstract]:In recent years , it is very difficult to generate and propagate Peregrine optical strange waves in coherent atomic medium , and to study the nonlinear effects of optical strange waves and respiratory sub - waves . The nonlinear propagation equations of optical and atomic interaction systems are derived by using the theory and method of the first part .

【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O43

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本文編號：1439899