本文關(guān)鍵詞：非均勻展寬介質(zhì)中電磁感應(yīng)透明到Aulter-Townes分裂渡越及光的傳播特性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來(lái),人們?cè)诙嗄芗?jí)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了若干量子干涉效應(yīng),其中最典型的例子是電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency,簡(jiǎn)稱EIT)。EIT的研究不僅對(duì)于基礎(chǔ)物理原理的探索非常重要,而且具有十分重大的應(yīng)用價(jià)值。比如,利用EIT可實(shí)現(xiàn)無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光、相干粒子數(shù)交換、Kerr非線性增強(qiáng)、慢光與量子存儲(chǔ)等,從而可為精密光譜科學(xué)與技術(shù)、量子計(jì)算與量子信息、量子調(diào)控與精密測(cè)量等提供有效的技術(shù)支持。所謂EIT是指利用控制光場(chǎng)誘導(dǎo)的量子相消干涉效應(yīng)使探測(cè)光場(chǎng)的吸收譜從單峰變?yōu)殡p峰,即在吸收譜中打開(kāi)一個(gè)透明窗口,從而可使探測(cè)光場(chǎng)無(wú)損耗地通過(guò)共振吸收介質(zhì)；同時(shí),EIT效應(yīng)還可顯著改變體系的色散和極大地增強(qiáng)體系的非線性光學(xué)效應(yīng)。EIT的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了弱光條件下強(qiáng)非線性光學(xué)研究的新領(lǐng)域,許多與此有關(guān)的新效應(yīng)和新現(xiàn)象不斷被人們發(fā)現(xiàn)并在實(shí)驗(yàn)上予以證實(shí)。EIT體系的吸收譜線形與源于Autler-Townes分裂(Autler-Townes split-ting簡(jiǎn)稱ATS)效應(yīng)所導(dǎo)致的吸收譜線形有些相似,即在吸收譜共振頻率附近都有透明窗口產(chǎn)生,但二者物理機(jī)制存在很大的差別。與EIT不同,ATS的物理本質(zhì)是交流Stark效應(yīng),即粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)在外加光場(chǎng)作用下發(fā)生改變,從而使光吸收譜的輪廓呈現(xiàn)為兩個(gè)對(duì)稱的洛倫茲峰的形式。ATS現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)至今已被廣泛的應(yīng)用于原子分子光譜探測(cè)等領(lǐng)域。由于吸收譜中透明窗口的出現(xiàn)并不能簡(jiǎn)單地告訴人們所觀察到的譜線是屬于EIT還是屬于ATS,多年來(lái)在該領(lǐng)域的研究中造成了對(duì)有關(guān)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)(包括實(shí)驗(yàn)上難以辯認(rèn),理論或理解上令人困惑)混亂的局面。通常人們對(duì)二者的實(shí)驗(yàn)判別一般依賴于經(jīng)驗(yàn),在理論上也只做某些定性的分析。此外,對(duì)于EIT的研究,因?yàn)槌Ｓ玫腁型、V型及梯(ladder)型三能級(jí)系統(tǒng)具有類似的幾何拓?fù)湫再|(zhì),且理論處理方法也類似,所以人們認(rèn)為這些系統(tǒng)中量子干涉效應(yīng)的機(jī)理應(yīng)該是相同的。隨著實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)步和理論探索的深入,人們逐漸意識(shí)到不同體系的量子干涉效應(yīng)在本質(zhì)上是存在區(qū)別的,但至今在理論認(rèn)識(shí)上仍然存在許多分歧。由于量子干涉效應(yīng)在理論上的重要意義和應(yīng)用上的誘人前景,亟需對(duì)若干典型系統(tǒng)中的EIT及EIT和ATS之間的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論分析、澄清有關(guān)概念并解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另一方面,由于實(shí)際應(yīng)用的需要,人們必須考慮在室溫下原子、分子或固體材料中的量子干涉效應(yīng)。對(duì)于這類系統(tǒng),許多消相干因素(如非均勻展寬)的影響是不可忽略的。實(shí)驗(yàn)研究表明,這些因素的存在會(huì)引起量子干涉效應(yīng)特性的重大改變。然而,至今這類系統(tǒng)中量子干涉效應(yīng)的理論研究還不多或不夠深入,有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還亟待理論解釋。本文的主要目的是,基于有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論進(jìn)展建立發(fā)展研究各種條件(特別是室溫條件)下EIT效應(yīng)的理論方法；借助該方法對(duì)Λ型、V型及梯型等系統(tǒng)中的量子干涉效應(yīng)進(jìn)行全面系統(tǒng)的理論分析,并明確地提出EIT-ATS渡越(EIT-ATS crossover)的概念。本文的主要研究結(jié)果包括以下幾個(gè)方面：1.開(kāi)放非均勻展寬A型分子系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越現(xiàn)象及光脈沖線性與非線性傳播特性的研究。首先,使用留數(shù)定理和光譜分解法(spectrum-decomposition method)證明在線性情況下探測(cè)光場(chǎng)與控制光場(chǎng)同向傳播時(shí)體系存在EIT-ATS渡越,而在探測(cè)光場(chǎng)與控制光場(chǎng)反向傳播時(shí)不存在EIT,因此也就沒(méi)有EIT-ATS渡越現(xiàn)象發(fā)生；其次,將有關(guān)結(jié)果與超冷條件下體系的量子干涉效應(yīng)性質(zhì)做了詳細(xì)比較,所得理論計(jì)算結(jié)果與近期報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。最后,研究了該EIT體系中的非線性脈沖傳播。應(yīng)用多重尺度技術(shù),導(dǎo)出了探測(cè)光脈沖在室溫條件下傳播所滿足的非線性包絡(luò)方程。研究表明,在開(kāi)放A型分子系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播的超慢光孤子。該研究所得理論結(jié)果對(duì)探索分子系統(tǒng)中量子干涉效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究具有理論指導(dǎo)意義,并在相干分子光譜學(xué)、精密光譜測(cè)量、分子量子態(tài)操控和非線性脈沖傳播等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。2.開(kāi)放非均勻展寬V型分子系統(tǒng)中的EIT, ATS及EIT-ATS渡越現(xiàn)象的研究。首先,使用光譜分解法系統(tǒng)地分析了V型熱分子系統(tǒng)中探測(cè)光脈沖的吸收譜特性。研究表明在探測(cè)光與控制光同向傳播時(shí)體系存在EIT效應(yīng),同時(shí)也存在EIT-ATS渡越。這一結(jié)論顛覆了以往人們對(duì)V型系統(tǒng)中量子干涉效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。因?yàn)橹暗睦碚撜J(rèn)為V型冷分子系統(tǒng)不存在EIT及EIT-ATS渡越；其次,研究了探測(cè)光與控制光反向傳播的的情況,結(jié)果表明在這種情形下也可產(chǎn)生EIT。我們的研究還澄清了該系統(tǒng)中光學(xué)燒孔與飽和吸收的作用。該研究所得理論結(jié)論不僅很好的解釋了近期報(bào)道的有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而且對(duì)深入理解非均勻展寬系統(tǒng)中量子干涉效應(yīng)特性和用于選取或確定相干分子實(shí)驗(yàn)參數(shù)等都有較重要的意義。3.開(kāi)放非均勻展寬梯型系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越現(xiàn)象的研究。在該研究中進(jìn)一步發(fā)展了光譜分解法,以清晰統(tǒng)一的方式分析比較了梯型(梯形-Ⅰ和梯形-Ⅱ)系統(tǒng)中EIT、ATS及EIT-ATS渡越等諸多現(xiàn)象的物理機(jī)制。研究結(jié)果證明當(dāng)波數(shù)比kp/kc≈1時(shí)(kp與kc。分別為探測(cè)光與控制光的波數(shù)),梯形-Ⅰ型和梯形-Ⅱ型系統(tǒng)中都有EIT現(xiàn)象存在；當(dāng)梯形-Ⅰ型系統(tǒng)波數(shù)比kp/kc不等于-1且頂能級(jí)為里德堡態(tài)時(shí),體系中可以存在EIT但ATS遭到破壞,且透明窗口附近有增強(qiáng)吸收現(xiàn)象出現(xiàn)；對(duì)于梯形-Ⅱ型系統(tǒng),如果系統(tǒng)中耦合兩個(gè)低能級(jí)的控制光為微波場(chǎng),則該系統(tǒng)中存在ATS但不可能存在EIT。該研究提出的有關(guān)理論分析方法適用于多種物理?xiàng)l件下梯型系統(tǒng)(包括熱原子、熱分子及熱里德堡原子氣體等),所得理論結(jié)果與迄今為止報(bào)道的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,并在原子分子光譜精密探測(cè)、里德堡原子研究等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。此外,我們還研究了如何在非均勻展寬介質(zhì)中利用相干增益機(jī)制補(bǔ)償負(fù)折射率超穎材料(negative index metamaterial,簡(jiǎn)稱NIMM)表面極化激元(surface polaritons)的歐姆損耗,從而實(shí)現(xiàn)表面極化激元的線性及非線性穩(wěn)定傳播。具體研究結(jié)果如下：4.研究了室溫下兩能級(jí)量子發(fā)射體摻雜在電介質(zhì)-NIMM界面上時(shí)體系的相干粒子數(shù)振蕩和表面極化激元的傳播。研究表明,在摻雜兩能級(jí)量子發(fā)射體未達(dá)到飽和吸收時(shí),表面極化激元傳播時(shí)的歐姆損耗可由量子發(fā)射體提供的相干增益進(jìn)行補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的超光速傳播。研究還表明基于非相干粒子數(shù)振蕩和電介質(zhì)-NIMM界面附近光場(chǎng)的囚禁增強(qiáng)效應(yīng),體系克爾非線性效應(yīng)可得到極大地增強(qiáng),從而在該系統(tǒng)中可以激發(fā)出穩(wěn)定的表面極化激元孤子(surface polaritonic solitons),其產(chǎn)生功率非常低且以超光速的速度傳播。5.研究了室溫下具有主動(dòng)拉曼增益(active Raman gain,簡(jiǎn)稱ARG)的四能級(jí)量子發(fā)射體摻雜在電介質(zhì)-NIMM界面上時(shí)體系的線性及非線性表面極化激元的傳播。研究發(fā)現(xiàn)表面極化激元可從耦合到量子發(fā)射體的泵浦光場(chǎng)中獲得增益,從而可用來(lái)補(bǔ)償其歐姆損耗。另外,控制光所誘導(dǎo)的量子干涉效應(yīng)使得信號(hào)光的增益譜從單峰改變?yōu)殡p峰,從而使得體系盡管有凈增益但增益很小,二者的聯(lián)合效應(yīng)使得信號(hào)光可在電介質(zhì)-NIMM界面上穩(wěn)定的傳播且具有超光速的傳播速度。另外,研究還發(fā)現(xiàn)由于量子發(fā)射體的量子干涉效應(yīng)使得表面極化激元的克爾非線性得到極大地增強(qiáng),由此在界面上可激發(fā)出產(chǎn)生功率很低的一維和二維快光表面極化激元孤子。該研究所得結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)超快光響應(yīng)及表面極化激元的長(zhǎng)距離傳輸?shù)染哂袧撛诘膽?yīng)用價(jià)值。本論文所提出的研究方法及給出的研究結(jié)果,對(duì)于發(fā)展多能級(jí)量子體系的量子干涉與非線性光學(xué)效應(yīng)理論及其在精密光譜科學(xué)與技術(shù)、光信息處理與傳輸、量子計(jì)算與量子信息等應(yīng)用方面都有一定的意義。
【關(guān)鍵詞】：電磁感應(yīng)透明 Autler-Townes分裂 EIT-ATS渡越 光譜分解法 光孤子 表面極化激元
【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】：2015
【分類號(hào)】：O431.2
【目錄】：

• 摘要6-10
• Abstract10-15
• 目錄15-28
• 第一章 緒論28-46
• 1.1 引言28-29
• 1.2 電磁感應(yīng)透明與Autler-Twones分裂及其研究進(jìn)展29-36
• 1.2.1 電磁感應(yīng)透明29-35
• 1.2.2 Autler-Twones分裂35-36
• 1.3 量子干涉效應(yīng)光譜分解法及其研究進(jìn)展36-40
• 1.4 表面等離激元的相干控制及其研究進(jìn)展40-43
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)43-46
• 第二章 光與物質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論及電介質(zhì)-負(fù)折射率超穎材料界面的電場(chǎng)模式分析46-68
• 2.1 光與共振介質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論46-52
• 2.1.1 光與冷原子相互作用的一般理論46-50
• 2.1.2 EIT效應(yīng)及光的線性傳播特性50-52
• 2.2 量子干涉效應(yīng)分析和光譜分解法52-57
• 2.3 漸近分析方法和光在共振介質(zhì)系統(tǒng)中的非線性傳播57-62
• 2.4 電介質(zhì)-負(fù)折射率超穎材料界面電場(chǎng)模式及本征色散關(guān)系分析62-66
• 2.5 本章小結(jié)66-68
• 第三章 非均勻展寬開(kāi)放Λ型分子系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越及超慢光孤子68-88
• 3.1 引言68-69
• 3.2 開(kāi)放Λ型分子系統(tǒng)模型69-72
• 3.3 線性傳播特性研究72-84
• 3.3.1 系統(tǒng)初始狀態(tài)及線性解72-73
• 3.3.2 控制光探測(cè)光同向傳播熱分子系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越73-79
• 3.3.3 控制光探測(cè)光反向傳播熱分子系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越79-82
• 3.3.4 冷分子系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越及各系統(tǒng)間量子干涉的比較82-84
• 3.4 非線性脈沖傳播特性研究84-86
• 3.5 本章小結(jié)86-88
• 第四章 非均勻展寬開(kāi)放V型分子系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越88-108
• 4.1 引言88-89
• 4.2 開(kāi)放V型分子系統(tǒng)模型及其線性解89-92
• 4.2.1 模型介紹89-91
• 4.2.2 系統(tǒng)的線性解91-92
• 4.3 熱分子系統(tǒng)中量子干涉特性分析92-103
• 4.3.1 探測(cè)光控制光同向傳播構(gòu)型系統(tǒng)93-99
• 4.3.2 控制光探測(cè)光反向傳播構(gòu)型系統(tǒng)99-103
• 4.4 冷分子系統(tǒng)及各系統(tǒng)間量子干涉的比較103-105
• 4.5 V型系統(tǒng)中飽和吸收和光學(xué)燒孔的作用105-107
• 4.6 本章小結(jié)107-108
• 第五章 非均勻展寬開(kāi)放梯型系統(tǒng)中的EIT-ATS渡越108-126
• 5.1 引言108-109
• 5.2 開(kāi)放梯型系統(tǒng)模型109-111
• 5.3 梯形-Ⅰ型系統(tǒng)中的量子干涉特性分析111-119
• 5.3.1 線性色散關(guān)系111-112
• 5.3.2 熱銣原子氣體中的EIT-ATS渡越112-116
• 5.3.3 熱分子氣體中的EIT-ATS渡越116-118
• 5.3.4 熱里德堡原子氣體中的EIT118-119
• 5.4 梯形-Ⅱ型系統(tǒng)中的量子干涉特性分析119-124
• 5.4.1 線性色散關(guān)系120
• 5.4.2 熱鈉原子氣體中的EIT-ATS渡越120-123
• 5.4.3 微波誘導(dǎo)透明中的量子干涉123-124
• 5.5 本章小結(jié)124-126
• 第六章 利用相干粒子數(shù)振蕩實(shí)現(xiàn)快光表面極化激元孤子126-140
• 6.1 引言126-127
• 6.2 模型介紹127-131
• 6.3 相干粒子數(shù)振蕩機(jī)制線性超快表面極化激元131-134
• 6.3.1 初始狀態(tài)131-132
• 6.3.2 相干粒子數(shù)振蕩機(jī)制表面極化激元的線性色散關(guān)系132-134
• 6.4 相干粒子數(shù)振蕩機(jī)制的巨克爾效應(yīng)及表面極化激元孤子134-139
• 6.5 本章小結(jié)139-140
• 第七章 利用主動(dòng)拉曼增益實(shí)現(xiàn)(2+1)維表面極化激元孤子140-152
• 7.1 引言140-141
• 7.2 模型介紹141-143
• 7.3 主動(dòng)拉曼增益機(jī)制表面極化激元的線性傳播特性143-145
• 7.4 主動(dòng)拉曼增益機(jī)制表面極化激元的非線性傳播特性145-148
• 7.4.1 非線性包絡(luò)方程和巨克爾效應(yīng)145-147
• 7.4.2 快光表面極化激元孤子147-148
• 7.5 (2+1)維快光表面極化激元孤子148-150
• 7.6 本章小結(jié)150-152
• 第八章 總結(jié)與展望152-156
• 8.1 研究工作總結(jié)152-154
• 8.2 擬開(kāi)展的進(jìn)一步工作154-156
• 附錄A 第三章中一些表達(dá)式的具體形式156-158
• A.1 η_j,A_(j±),及δ_(j±)的具體表達(dá)式156
• A.2 MB方程組二階解的具體表達(dá)式156-158
• 附錄B 第四章中一些系數(shù)的具體表達(dá)式158-160
• B.1 同向傳播構(gòu)型系統(tǒng)α,A_(j±),及δ_(j±)的具體表達(dá)式158
• B.2 反向傳播構(gòu)型系統(tǒng)α,A_(j±),及δ_(j±)的具體表達(dá)式158-160
• 附錄C 第五章中波數(shù)比x=-1的梯形-Ⅱ型系統(tǒng)譜分解160-162
• 附錄D 第六章中一些表達(dá)式的具體形式162-164
• D.1 A和B的具體形式162
• D.2 各階M~((l)),N~((l))及P~((l))的具體表達(dá)式162
• D.3 部分二階解的具體表達(dá)式162-164
• 附錄E 第七章中一些表達(dá)式的具體形式164-166
• E.1 相互作用表象下的Bloch方程164
• E.2 線性解有關(guān)系數(shù)的具體表達(dá)式164-165
• E.3 二階解的具體表達(dá)式165-166
• 參考文獻(xiàn)166-185
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文185-186
• 致謝186

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 龔尚慶;鈕月萍;周鳳雪;祁義紅;彭延?xùn)|;;原子類原子系統(tǒng)光學(xué)特性的量子相干調(diào)控應(yīng)用基礎(chǔ)研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2011年09期

2 王振林;;表面等離激元研究新進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2009年03期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 李慧軍;相干原子介質(zhì)中弱光非線性光學(xué)效應(yīng)的研究[D];華東師范大學(xué);2008年

2 徐進(jìn);基于狹縫波導(dǎo)的非線性與量子干涉效應(yīng)研究[D];華東師范大學(xué);2014年

  本文關(guān)鍵詞：非均勻展寬介質(zhì)中電磁感應(yīng)透明到Aulter-Townes分裂渡越及光的傳播特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：374635