本文關鍵詞：超冷里德堡原子氣體與超穎材料中的光脈沖的傳播與操控

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【摘要】：近二十年來,由于電磁感應透明(electromagnetically induced transparency,簡稱EIT)效應的發(fā)現(xiàn),相干原子介質(zhì)中的量子干涉與非線性光學效應的研究激起了人們的極大興趣。EIT現(xiàn)象的基本原理是,通過引入外加控制光場使原子的量子態(tài)之間產(chǎn)生相消量子干涉效應,從而在探測光場吸收譜的中心頻率附近開出一個透明窗口,由此可以大大消除共振原子介質(zhì)對探測光場的吸收。EIT效應不僅可用來抑制光吸收,而且可有效地改變介質(zhì)的色散性質(zhì),從而實現(xiàn)探測光脈沖的群速度遠小于光速,即得到慢光(slow light)。利用慢光可制作新型的光學延遲器件,從而實現(xiàn)光與量子信息的存儲與讀取。另外,借助EIT可使介質(zhì)的非線性光學效應大為增強,不僅有利于弱光非線性光學新領域的開拓,而且為新一代全光器件的研制、量子信息與量子計算的物理實現(xiàn)等提供重要的技術支持。近年來,英國杜倫大學的C.S.Admas研究小組利用EIT技術的相干、非破壞特點探測了銣原子里德堡(Rydberg)態(tài)能級的精細結(jié)構(gòu)。隨后,大量關于里德堡原子體系的EIT(稱為里德堡EIT)的研究工作涌現(xiàn)出來,包括利用里德堡EIT實現(xiàn)量子邏輯門、原子-原子糾纏、多體拉比振蕩等。特別是利用里德堡EIT中的原子之間的合作效應可得到非常大的克爾(Kerr)非線性,其值可達7 × 10-2V-2m2。這比在傳統(tǒng)光學介質(zhì)所得的克爾非線性要高十幾個數(shù)量級,也比以前在非里德堡EIT原子介質(zhì)中所得的克爾非線性要大5個數(shù)量級。所謂里德堡原子,是指主量子數(shù)非常大的高激發(fā)態(tài)原子。里德堡原子的軌道半徑、碰撞截面、壽命、電偶極矩、電極化率等都很大。與通常的體系(如離子、極性分子等)不同,通過調(diào)節(jié)原子密度等參數(shù),里德堡體系中原子之間的偶極-偶極相互作用不僅可以很強,而且可以改變12個數(shù)量級,從而可呈現(xiàn)許多十分有趣的現(xiàn)象,包括原子激發(fā)的阻塞,稱為里德堡阻塞(Rydberg blockade),從而具有明顯獨特的優(yōu)勢。然而,里德堡阻塞只有在超冷條件下才能充分呈現(xiàn)出來。由于激光冷卻與囚禁技術的發(fā)明與應用,里德堡原子的研究進入了一個嶄新的發(fā)展階段。超冷里德堡原子不僅為實現(xiàn)高分辨、高靈敏、高精度量子調(diào)控與精密測量提供了新的有力手段,而且為探索各種重要的量子多體效應(包括里德堡綴飾的玻色-愛因斯坦凝聚、超固體、超冷等離子體等)提供了十分有效的研究平臺。特別是,利用里德堡阻塞效應等特性可實現(xiàn)基于中性原子的量子計算和量子信息處理,也為非線性光學、量子光學等的研究開辟了新的研究方向。本學位論文的主要內(nèi)容是超冷里德堡原子氣體和超穎材料中光脈沖的傳播與操控研究。研究的主要思路是,在多能級超冷里德堡原子系統(tǒng)中,建立超出平均場處理的理論方法,系統(tǒng)深入地研究相互作用里德堡原子體系的量子多體動力學,計算原子躍遷算符的各階關聯(lián)函數(shù),從而得到EIT條件下由原子-原子、原子-光子相互作用所貢獻的各階非線性光學極化率;研究基于里德堡EIT所導致的非線性響應的極大增強,探討超冷里德堡原子系統(tǒng)中非局域弱光時空光孤子的形成與傳播;研究利用超冷里德堡原子實現(xiàn)光孤子的存儲與讀取的可能性。另外,基于EIT的經(jīng)典類比,研究若干超穎材料中的等離激元誘導透明和電磁脈沖的穩(wěn)定傳播與操控。本文的主要研究結(jié)果包括以下幾個方面:1.超冷里德堡原子中基于EIT的三階與五階巨克爾非線性光學效應研究�；诔銎骄鶊鎏幚淼睦碚摲椒�,在海森堡表象下導出三能級里德堡EIT體系中單體、兩體關聯(lián)函數(shù)的運動方程;同時,通過二階梯形近似方法得到一體、二體、三體關聯(lián)函數(shù)運動方程的解析解。研究發(fā)現(xiàn),里德堡EIT系統(tǒng)不僅可以獲得增強的三階非線性光學極化率,而且系統(tǒng)的五階非線性光學極化率也有很大的增強。特別是系統(tǒng)的五階非線性光學極化率和原子密度的三次方成正比,通過選擇合適的物理參數(shù),其值可達10-11m4V-4,這比傳統(tǒng)EIT體系中所得到的結(jié)果大5個數(shù)量級。研究結(jié)果表明,光子-原子相互作用以及原子-原子之間的里德堡相互作用均對體系的三階和五階非線性光學極化率有貢獻。當原子氣體密度較大時,原子-原子之間的里德堡相互作用導致的克爾非線性效應起主導作用。該研究的結(jié)果對實現(xiàn)弱光水平下非線性與量子干涉效應、量子信息處理與傳輸?shù)染哂袧撛诘睦碚撆c應用價值。2.超冷里德堡EIT中的協(xié)同非線性光學效應、高維慢光時空孤子的形成及其存儲與讀取研究。首先從梯形三能級EIT體系中單體、和兩體關聯(lián)子所滿足的運動方程和探測光場所滿足的麥克斯韋方程出發(fā),利用奇異攝動理論中的多重尺度展開方法,導出探測光場在超冷里德堡原子系綜中傳播時所滿足的(3+1)維非線性包絡方程。該方程不僅包含體系的色散、衍射、耗散效應,也包含由于原子-光子相互作用導致的局域非線性光學效應和由于原子-原子里德堡相互作用導致的非局域非線性非線性光學效應。由于在里德堡EIT系統(tǒng)中兩種不同類型的克爾非線性同時存在,它們之間既有相互合作又有相互競爭,從而可呈現(xiàn)出有趣協(xié)同非線性光學效應。其次,通過選取適當?shù)膮?shù),體系的協(xié)同非線性光學效應可與時間色散、空間衍射效應互相平衡,從而可得到穩(wěn)定傳播的(3+1)維非線性光脈沖,包括時空光孤子解。研究表明,這樣的光孤子不僅擁有超慢的傳播速度,而且具有極低的產(chǎn)生功率。最后,研究了如何利用原子的能級結(jié)構(gòu)和光與原子相互作用的選擇定則對非線性光脈沖實施主動操控。特別是,通過絕熱地關閉和開啟控制激光場可實現(xiàn)超慢時空光孤子的有效存儲與讀取。3.利用等離激元誘導透明實現(xiàn)增強克爾非線性效應與低功率孤子的研究。近年來,EIT的經(jīng)典類比,特別是人工超穎材料(metamaterial)中所呈現(xiàn)的等離激元誘導透明(plasmon induced transparency,簡稱PIT)現(xiàn)象,引起了人們的極大興趣。人們不僅可以借用原子EIT的概念和方法研究PIT,而且PIT有其獨特的優(yōu)點,即可以通過設計不同的超穎原子(meta-atoms)嵌入于固態(tài)基質(zhì)材料中,從而可方便地使系統(tǒng)實現(xiàn)集成化。本研究所考慮的超穎原子是由短天線(cut-wire)和開口圓環(huán)(split-ring resonator)所組成,同時利用二極管嵌入于開口圓環(huán)的狹縫處以提供非線性效應。電磁波與超穎原子陣列的相互作用的動力學行為可用耦合麥克斯韋-洛倫茲方程組描述。研究表明,通過調(diào)節(jié)PIT結(jié)構(gòu)單元中亮模和暗模的耦合強度,不僅可以模擬三能級原子系統(tǒng)中的EIT現(xiàn)象,而且可顯示從 PIT 到 Autler-Townes 分裂(Autler-Townessplitting,簡稱ATS)的渡越(稱為PIT-ATS渡越)。利用多重尺度方法導出了等離極化激元(plasmon-polariton)包絡所滿足的非線性方程組,證明了在PIT條件下可獲得非常大的二階和三階非線性光學極化率。特別是,利用體系中可能發(fā)生的長波-短波的共振,可使體系的三階克爾非線性效應進一步提高一個數(shù)量級,從而可在體系中激發(fā)低功率的低維與高維GHz孤子。該研究的結(jié)果為實現(xiàn)超穎材料中電磁輻射的強非線性效應和穩(wěn)定傳播的電磁脈沖提供了有效的技術思路和理論處理方法。4.利用等離激元誘導透明實現(xiàn)具有軌道角動量的等離極化激元的存儲與讀取的研究。在該研究中,所考慮的超穎材料是由焊接變?nèi)荻䴓O管金屬框架構(gòu)成的超穎原子陣列。研究發(fā)現(xiàn),通過改變外加控制場可主動地調(diào)節(jié)PIT的透明窗口;基于PIT效應可產(chǎn)生波形不變且攜帶角動量的暗模等離極化激元(dark-mode plasmon-polariton)。這種暗模等離極化激元是由電磁模式和超穎原子中暗模諧振模式相干疊加而成的混合模式。計算結(jié)果表明,攜帶軌道角動量的多模等離極化激元可以以很慢的速度傳播;通過絕熱關閉和開啟控制場,可實現(xiàn)多模等離極化激元的存儲和讀取。另外,通過引入增益可補償超穎材料的歐姆損耗,從而提高多模等離極化激元的存儲效率。該研究結(jié)果為設計基于PIT技術的空間多模電磁波存儲器件提供了理論依據(jù)。本論文所提出的理論、計算方法以及得到的若干結(jié)果,不僅對于揭示超冷里德堡原子體系和人工超穎材料中的非線性與干涉效應具有重要意義,而且對于精密光譜與精密測量、弱光水平下的光學與量子信息處理器件的設計等應用具有潛在的應用價值。
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O562;O437

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