【摘要】：自激光問世以來,人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的各種非線性光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了廣泛而深入的探索。非線性光學(xué)的研究不僅具有重要的應(yīng)用價(jià)值,而且成為非線性物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。傳統(tǒng)的非線性光學(xué)是研究介質(zhì)在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象及其應(yīng)用。近年來,由于電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency,簡(jiǎn)稱EIT)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),弱光非線性光學(xué)新領(lǐng)域隨之應(yīng)運(yùn)而生�；贓IT的弱光非線性光學(xué)研究不僅對(duì)于開拓非線性光學(xué)研究的新方向有重要意義,而且在原子分子光子的精密操控、精密光譜與精密測(cè)量、光與量子信息的處理與傳輸、光孤子通信技術(shù)等方面具有重要的應(yīng)用前景。EIT現(xiàn)象是在光與三能級(jí)原子共振相互作用的研究中首先發(fā)現(xiàn)的。其基本原理是通過引入外加控制激光場(chǎng)使原子的兩個(gè)躍遷通道之間產(chǎn)生量子相消干涉效應(yīng),從而探測(cè)激光場(chǎng)的吸收譜在其中心頻率附近產(chǎn)生一個(gè)透明窗口,由此可極大地抑制共振介質(zhì)對(duì)探測(cè)激光場(chǎng)的吸收。EIT效應(yīng)不僅可用來抑制光的吸收,而且可有效地改變介質(zhì)的色散性質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)光脈沖的超慢傳播；利用EIT還可顯著地增大體系的非線性光學(xué)效應(yīng),從而可用來實(shí)現(xiàn)弱光甚至單光子條件下的強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng),等等。眾所周知,在真空中光場(chǎng)與光場(chǎng)之間不存在相互作用,因而不可能在真空中實(shí)現(xiàn)光操控光。但光通過介質(zhì)時(shí)會(huì)使介質(zhì)產(chǎn)生極化,改變介質(zhì)的折射率,從而對(duì)另一束光產(chǎn)生有效的相互作用。因此,光操控光(包括用一束光囚禁、光偏轉(zhuǎn)、用一束光導(dǎo)引與控制另一束光等)可借助光學(xué)介質(zhì)(包括主動(dòng)和被動(dòng)光學(xué)介質(zhì))作為中介來實(shí)現(xiàn)。但是,目前大多數(shù)光操控光的實(shí)現(xiàn)有若干不足之處。例如,在操控過程中需要很強(qiáng)的激光場(chǎng)；存在不可忽略的色散和衍射效應(yīng),使得光操控的效果不佳；不能實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的主動(dòng)操控；等等。本學(xué)位論文的主要內(nèi)容是共振相干原子介質(zhì)中弱光孤子的磁光操控研究。一研究的主要思路是,在多能級(jí)原子體系中利用EIT產(chǎn)生的巨克爾非線性效應(yīng)與衍射(色散)效應(yīng)相互平衡形成弱光孤子；為了穩(wěn)定和操控所得的光孤子,引入若干外加的磁場(chǎng)或光場(chǎng)作為磁光外勢(shì),由此實(shí)現(xiàn)高維弱光孤子的斯特恩-蓋拉赫(Stern-Gerlach)偏轉(zhuǎn)、信號(hào)光場(chǎng)的光孤子俘獲與光場(chǎng)的軌跡操控、(3+1)-維光孤子和渦旋的存儲(chǔ)與讀取等效應(yīng)。本文的主要研究結(jié)果包括以下三個(gè)方面：1.研究了多能級(jí)原子系統(tǒng)中高維弱光孤子的Stern-Gerlach偏轉(zhuǎn)效應(yīng)。首先利用非線性波理論中的多重尺度微擾法,基于麥克斯韋-布洛赫(Maxwell-Bloch)方程導(dǎo)出了四腳架(quadric-pod)型原子體系中三個(gè)探測(cè)光場(chǎng)所滿足的(3+1)-維耦合非線性Schrodinger方程組。為了得到穩(wěn)定的弱光孤子,在體系中引入了遠(yuǎn)失諧的斯塔克(Stark)光晶格場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn),通過選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)探測(cè)光脈沖的群速度相互匹配,并得到穩(wěn)定的高維弱光孤子。其次,通過在體系中施加梯度磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了所得高維光孤子的Stern-Gerlach偏轉(zhuǎn)；并計(jì)算了光孤子的軌跡偏轉(zhuǎn)角度與外加磁場(chǎng)梯度大小的關(guān)系。結(jié)果表明,光孤子的軌跡偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)10-2弧度。最后,將高維弱光孤子的Stern-Gerlach偏轉(zhuǎn)理論推廣到更普遍的情況,即考慮了N-pod (N 4)體系中N-1個(gè)高維弱光孤子的Stern-Gerlach偏轉(zhuǎn)。本研究所得結(jié)果有望用于磁場(chǎng)的精密測(cè)量(設(shè)計(jì)光學(xué)磁力計(jì)等),從而在精密光譜與精密測(cè)量技術(shù)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.研究了三角架(tri-pod)型原子系統(tǒng)中弱信號(hào)光場(chǎng)的光孤子俘獲及其軌跡操控。首先考慮在原子系統(tǒng)中輸入適當(dāng)強(qiáng)度的探測(cè)光場(chǎng)和較弱的信號(hào)光場(chǎng)�；贛axwell-Bloch方程,用多重尺度法導(dǎo)出探測(cè)光場(chǎng)和信號(hào)光場(chǎng)包絡(luò)演化所遵循的非線性方程包絡(luò)方程組。其次,詳細(xì)研究了這些包絡(luò)方程組的各種非線性局域解。研究發(fā)現(xiàn),探測(cè)光場(chǎng)可產(chǎn)生足夠強(qiáng)的非線性效應(yīng)與衍射效應(yīng)相互平衡,從而形成穩(wěn)定傳播的光孤子；信號(hào)光場(chǎng)依賴探測(cè)光場(chǎng)產(chǎn)生的交叉克爾非線性效應(yīng)可形成空間局域的波包。通過選擇合適的系統(tǒng)參數(shù),可實(shí)現(xiàn)探測(cè)光場(chǎng)和信號(hào)光場(chǎng)的群速度匹配,增加兩個(gè)光場(chǎng)之間的相互作用時(shí)間,從而增強(qiáng)體系的交叉克爾非線性效應(yīng)。由此可實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)光場(chǎng)的光孤子俘獲,并使信號(hào)光場(chǎng)跟隨探測(cè)光孤子一起以相同的傳播速度穩(wěn)定地傳播。最后,為了進(jìn)一步研究探測(cè)光場(chǎng)和信號(hào)光場(chǎng)的軌跡操控,在體系中引入了含時(shí)和不含時(shí)的梯度磁場(chǎng)。結(jié)果表明,引入梯度磁場(chǎng)后信號(hào)光場(chǎng)仍可被探測(cè)光孤子俘獲。兩個(gè)光場(chǎng)(即信號(hào)光場(chǎng)與探測(cè)光場(chǎng))仍可束縛在一起以相同的運(yùn)動(dòng)軌跡在介質(zhì)中穩(wěn)定地傳播。本研究成果在實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身和設(shè)計(jì)弱光水平的全光開關(guān)等方面具有一定的理論指導(dǎo)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。3.研究了A型三能級(jí)原子系統(tǒng)中(3+1)-維光孤子和渦旋的形成及其存儲(chǔ)與讀取。首先,從體系的Maxwell-Bloch方程出發(fā),通過多重尺度法導(dǎo)出了探測(cè)光場(chǎng)在三能級(jí)原子中傳播時(shí)所遵循的(3+1)-維非線性包絡(luò)方程。其次,通過引入遠(yuǎn)失諧的Stark光場(chǎng)抑制探測(cè)光場(chǎng)的橫向衍射,證明在體系中可形成穩(wěn)定的(3+1)-維光孤子和渦旋。最后,通過適當(dāng)?shù)仃P(guān)閉與開啟控制光場(chǎng),證明在體系中可實(shí)現(xiàn)超慢(3+1)-維光孤子和渦旋的存儲(chǔ)與讀取。光孤子和渦旋的存儲(chǔ)與讀取的基本過程可描述如下。起先,在控制光場(chǎng)存在時(shí)形成光孤子和渦旋；其次,絕熱地關(guān)閉控制光場(chǎng),使探測(cè)光場(chǎng)的傳播速度減小至零且其所負(fù)載的光信息轉(zhuǎn)換為原子信息,實(shí)現(xiàn)光信息的存儲(chǔ)；然后,絕熱地開啟控制光場(chǎng),使探測(cè)光場(chǎng)加速并從原子介質(zhì)中釋放出來,從而使存儲(chǔ)于介質(zhì)中的原子信息重新轉(zhuǎn)換為光信息,實(shí)現(xiàn)光信息的讀取。本研究成果不僅可為光的操控提供新的理論思路,而且也可為實(shí)現(xiàn)光信息處理與傳輸?shù)忍峁┬路f有效的技術(shù)手段。本論文所得到的研究結(jié)果,不僅對(duì)于揭示光與多能級(jí)量子體系的共振非線性光學(xué)效應(yīng),發(fā)展弱光非線性光學(xué)理論和高維光孤子理論有較重要的理論價(jià)值,而且對(duì)于精密光譜與精密測(cè)量、光與量子信息的處理與傳輸、弱光水平下的光操控光器件(如全光開關(guān))的設(shè)計(jì)等方面都具有一定的理論指導(dǎo)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

線和實(shí)線分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)沒有輸入控制光場(chǎng)（化＝０）和輸入控制光場(chǎng)（化戶０）的逡逑情況。該圖引自文獻(xiàn)［口］。逡逑圖１．１中右半部分為介質(zhì)對(duì)光響應(yīng)的線性極化率與探測(cè)光場(chǎng)頻率Ｗｐ和原子逡逑共振頻率Ｗ３１（＝Ｗ３－Ｗ１）偏移量（即失諧量Ａｓ）的函數(shù)關(guān)系曲線圖。通過該圖逡逑片可Ｗ更加形象直觀地顯示介質(zhì)中的巧Ｔ現(xiàn)象。其中，Ｉｍ（ｘ）和Ｒｅ（ｘ）分別表逡逑示介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)的吸收和介質(zhì)體系的折射率與色散。由圖我們可１＾清楚地看逡逑到，當(dāng)系統(tǒng)沒有輸入強(qiáng)的控制光場(chǎng)（即化＝０）時(shí)，在共振頻率點(diǎn)附近介質(zhì)對(duì)逡逑探測(cè)光場(chǎng)的吸收為極大值，即介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)來說是不透明的，且此時(shí)的色散逡逑為反常色散（如圖中的虛線所示）；當(dāng)系統(tǒng)輸入強(qiáng)的控制光場(chǎng)（即化＾邋０）時(shí)，逡逑在共振頻率點(diǎn)附近介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)的吸收為極小值，并且開出了一個(gè)ＥＩＴ透明逡逑窗口，即介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)的吸收被顯著地抑制，介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)來說是幾乎透逡逑

雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于慢光R%ｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈ效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)性文章［１４（中這篇文章逡逑證實(shí)了當(dāng)在ＥＩＴ介質(zhì)中引入梯度磁場(chǎng)時(shí)，光在傳播過程中會(huì)發(fā)生軌跡偏轉(zhuǎn)現(xiàn)逡逑象，如圖１．２所示。我們知道，當(dāng)磁偶極矩不為零的粒子穿過梯度磁場(chǎng)時(shí)粒子逡逑將會(huì)發(fā)生Ｓｔｅｍ－Ｇｅｒｌａｄｉ偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。然而，光子在真空中的磁偶極矩為零，當(dāng)逡逑
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O437
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本文編號(hào)：2521972