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主动拉曼增益介质中快光传播的非线性理论

光学学报 2011年第9期31卷 281-287页

作者：黄国翔杭超朱成杰华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200062

介绍了最近发展的主动拉曼增益介质中快光传播的非线性理论。首先介绍了三能级Λ型和四能级N型主动拉曼增益介质中光的线性传播特性的研究结果,指出两者都可实现群速度为负值的快光传播,但在四能级体系中由于额外耦合光场的引入可导致... 详细信息

介绍了最近发展的主动拉曼增益介质中快光传播的非线性理论。首先介绍了三能级Λ型和四能级N型主动拉曼增益介质中光的线性传播特性的研究结果,指出两者都可实现群速度为负值的快光传播,但在四能级体系中由于额外耦合光场的引入可导致量子干涉效应,使得信号光场的单峰增益谱线劈裂为双峰结构,利用该特性可实现共振点附近介质增益的有效抑制。其次介绍了在四能级体系中利用主动拉曼增益获得Kerr非线性效应的显著增强。再次介绍了主动拉曼增益体系中弱光的非线性传播。通过体系的色散与Kerr非线性效应的平衡可实现光学厚介质中非线性光脉冲的稳定传播,特别是形成弱光水平下的快光孤子。最后对主动拉曼增益体系中快光的进一步研究提出了展望。

关键词：主动拉曼增益快光传播 Kerr非线性快光孤子

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n型主动拉曼增益原子介质中的光学双稳态

物理学报 2012年第22期61卷 248-254页

作者：杨金金李慧军文文黄国翔浙江师范大学物理系非线性物理研究所金华321004 河海大学常州校区数理部常州213022 华东师范大学物理系精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200061

研究了主动拉曼增益原子介质在单向环形腔中的光学双稳态.该系统是一个相干共振的n型四能级原子系统,可在室温下实现,有能级失谐量、原子数密度、抽运场、控制场等较多的可调参数,且有无增益的透明窗口.完全通过解析方法定量给出实现光... 详细信息

研究了主动拉曼增益原子介质在单向环形腔中的光学双稳态.该系统是一个相干共振的n型四能级原子系统,可在室温下实现,有能级失谐量、原子数密度、抽运场、控制场等较多的可调参数,且有无增益的透明窗口.完全通过解析方法定量给出实现光学双稳态的条件,以及可调参数的取值范围,并进一步给出实现光学多稳态的条件,为实验上实现光学双稳态与多稳态提供了理论依据.

关键词：主动拉曼增益光学双稳态 n型原子介质

里德堡气体中的非局域快光子弹和涡旋及其主动控制

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里德堡气体中的非局域快光子弹和涡旋及其主动控制

作者：董秀佳华东师范大学

学位级别：硕士

近年来,由于其独特的物理特性,超冷里德堡原子的研究成为一个十分活跃的前沿领域,倍受关注和重视。利用电磁诱导透明可将里德堡原子之间的强相互作用转换为光子之间的强相互作用,并可实现它们的主动操控。有关研究结果在精密光谱与精密... 详细信息

近年来,由于其独特的物理特性,超冷里德堡原子的研究成为一个十分活跃的前沿领域,倍受关注和重视。利用电磁诱导透明可将里德堡原子之间的强相互作用转换为光子之间的强相互作用,并可实现它们的主动操控。有关研究结果在精密光谱与精密测量、非线性与量子光学、量子信息与多体模拟等中有重要的应用。在攻读硕士期间,作者研究了如何在里德堡系统中实现非局域时空光孤子的斯特恩盖拉赫偏转,提出了利用主动拉曼增益（active Raman gain,简称ARG）实现非局域快光[fast（or superluminal）light;其群速度大于真空光速c或为负值]光孤子稳定传播的方案,并进行了深入的研究,所取得的研究成果包括:在里德堡原子中实现时空孤子的斯特恩-盖拉赫偏转。首先,考虑一梯型三能级冷原子气体模型,其中顶能级为高激发里德堡态。该原子气体与一个弱探测激光场和另一个强控制激光场发生近共振相互作用,从而可实现里德堡电磁诱导透明。为了证明里德堡电磁诱导透明体系中高维非局域光孤子的可操控性,假设有一梯度磁场作用于该里德堡原子气体,使探测激光场感受到一个外加作用力。其次,基于体系原子和光场所满足的Maxwell-Bloch方程,使用多重尺度微扰方法和超出平均场理论的处理方法,导出了探测场包络所满足的非线性演化方程,该方程含有与外加磁场相关的项。最后,利用数值方法求解该包络方程并获得非局域时空光孤子与涡旋解。证明了在外磁场的作用下光孤子的轨迹可发生显著的斯特恩盖拉赫偏转,还可以通过调节磁场梯度来改变孤子的运动路径,从而实现孤子轨迹的主动操控。因为根据孤子轨迹的偏转角度可反过来估算外加磁场强度的大小,里德堡原子中的这种光脉冲的斯特恩盖拉赫偏转可用于精密磁强计的设计。基于里德堡ARG实现高维快光孤子及其稳定传播。首先,基于里德堡原子的特征构建了里德堡ARG的理论模型。在该模型中,N-型四能级（其中一个能级为里德堡态）原子与一个泵浦激光场、一个控制激光场、和一个信号激光场发生相互作用。其次,基于体系所满足的Maxwell-Bloch方程组和超出平均场近似的理论处理方法,计算了里德堡ARG体系的线性和非线性光学极化率。结果证明,由于ARG效应和里德堡原子之间的强相互作用,信号激光场的传播具有快光特征,且可获得很强的Kerr非线性效应。接下来,利用多重尺度微扰法逐级求解了 Maxwell-Bloch方程组,导出了信号激光场所满足的非线性包络方程。该方程包含体系的色散、衍射和非局域Kerr效应。根据体系的特征参数,可将信号脉冲的非线性传播分为局域、弱非局域、强非局域三个区间,给出了各区间的高维快光孤子及涡旋解,证明了由于体系的强非局域Kerr效应与色散和衍射效应的平衡,这些高维光孤子和涡旋可在体系中十分稳定的传播。本文的研究结果不仅有助于深入了解里德堡原子独特的非线性光学特性,而且为高维非线性光脉冲的稳定传播与操控的实验研究提供了理论依据,有关结果可望用于磁场等的精密测量。

关键词：里德堡原子主动拉曼增益高维光子弹斯特恩盖拉赫偏转

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超冷原子中的拉曼增益光栅(英文)

中国光学 2012年第5期5卷 464-469页

作者：匡尚奇中国科学院、长春光学精密机械与物理研究所、应用光学国家重点实验室吉林长春130033

为提高光栅的衍射效率,提出了基于主动拉曼效应的超冷原子光栅系统。理论研究表明:通过拉曼增益的空间周期性调节,可有效地将沿垂直光栅方向传播的弱探测光衍射到一级方向,同时零级衍射光将被放大。当系统中引进微波场的原子相干效应时... 详细信息

为提高光栅的衍射效率,提出了基于主动拉曼效应的超冷原子光栅系统。理论研究表明:通过拉曼增益的空间周期性调节,可有效地将沿垂直光栅方向传播的弱探测光衍射到一级方向,同时零级衍射光将被放大。当系统中引进微波场的原子相干效应时,可以进一步提高光栅的一级衍射效率。在一定的条件下,拉曼增益光栅的一级衍射效率可高于电磁诱导相位光栅的一级衍射效率。该系统可作为高效光开关用于全光网络。

关键词：超冷原子主动拉曼增益衍射光栅原子相干一级衍射效率

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多能级原子系统中的快光矢量孤子研究

多能级原子系统中的快光矢量孤子研究

作者：李斌华东理工大学

学位级别：硕士

原子介质中的孤子现象是近年来量子光学和非线性光学等学科的前沿研究领域。随着人们对快光问题的深入研究,群速度超光速的光孤子现象引起了广泛的关注。主动拉曼增益系统在显著提高光脉冲和介质相互作用非线性的同时也极大的抑制了光... 详细信息

原子介质中的孤子现象是近年来量子光学和非线性光学等学科的前沿研究领域。随着人们对快光问题的深入研究,群速度超光速的光孤子现象引起了广泛的关注。主动拉曼增益系统在显著提高光脉冲和介质相互作用非线性的同时也极大的抑制了光脉冲在介质中的增益,光脉冲能够没有形变的在该系统中传播,即形成群速度大于光速的光孤子。本论文利用光与物质相互作用的半经典理论提出基于主动拉曼增益效应的五能级M型和七能级3(?)型原子系统来分别实现两波耦合和三波耦合的快光时间矢量孤子。通过分析系统线性和非线性性质,发现光脉冲在原子系统中的色散效应能很好的被光与物质相互作用的自克尔和交叉克尔非线性平衡,使得光脉冲在介质中能保持形状、振幅和速度不变的传播,并且传播群速度为负值,即形成快光时间矢量孤子。通过调节控制场的强度以及单、双光子失谐量等系统参数,很容易形成不同类型的时间矢量孤子,而且在特殊的参数条件下,在我们所构造的原子系统中,能实现超光速传播的Manakov时间矢量孤子。本文的研究内容对实验上实现快光时间矢量孤子有一定的指导作用,并在研发快速响应光学器件,实现快光存储和量子相位门等领域有潜在的应用价值。

关键词：光孤子主动拉曼增益克尔非线性非线性薛定谔方程

超颖材料波导界面表面等离激元非线性传播特性研究

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超颖材料波导界面表面等离激元非线性传播特性研究

作者：李娜山东师范大学

学位级别：硕士

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,简称为SPPs）是光子与金属表面自由电子相互作用而产生的集体激发模式,其具有亚波长传播和局域场增强等特性,被认为是实现新一代微纳集成光子器件的理想载体之一。近年来,众多科研工作者把非... 详细信息

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,简称为SPPs）是光子与金属表面自由电子相互作用而产生的集体激发模式,其具有亚波长传播和局域场增强等特性,被认为是实现新一代微纳集成光子器件的理想载体之一。近年来,众多科研工作者把非线性光学与SPPs的亚波长电磁场束缚特性有机地相互融合,使得微纳结构实现弱光非线性效应成为可能,并逐步发展成非线性SPPs光子学这一新兴领域,同时设计实现了诸多可应用于微纳尺寸全光信息处理的SPPs微纳器件。其中,金属电介质复合波导,因同时具有局域场增强和高极化率非线性材料的优势,在非线性SPPs研究领域备受科研人员的关注。目前人们对该类波导体系中SPPs与电介质的强相互作用、SPPs传播过程中非线性效应的实验研究进展迅猛。然而,由于金属电介质复合波导中非线性效应的复杂性,理论研究方兴未艾。目前理论研究工作仍处于定性的理论分析及数值模拟研究阶段,系统完善的解析理论研究仍亟待发展。针对上述问题,本文的主要目的是基于半经典理论和奇异微扰方法,深入研究超颖材料电介质平面微纳波导中SPPs与相干介质相互作用过程中的非线性光学效应,并基于此探索SPPs的磁光相干调控方案,及其在微纳器件中新的潜在应用。主要有以下两方面的研究结果:1、基于外加梯度磁场SPPs异或非逻辑门的研究。负折射率材料（negative index metamaterial,简称为NIMM）-电介质界面波导可以支持无损的SPPs导波模式,我们系统研究了外加弱梯度磁场下无损SPPs的线性及非线性传播特性。系统中电介质为具有三能级Λ型激发构型的原子气体,通过主动拉曼增益机制,得到了SPPs的巨克尔效应,实现了快光SPPs孤子,并研究了SPPs孤子在弱梯度磁场中的类Stern-Gerlach效应及轨迹操控,通过设计梯度磁场的空间分布、时间控制函数以及孤子的吸引及排斥相互作用,实现了SPPs的异或非逻辑操作。该研究所得到的结果在未来芯片上的微纳光集成、光信息处理等均具有潜在应用价值。2、基于交叉相位调制SPPs纳米聚焦的研究。基于Tripod型双EIT机制,系统研究了NIMM-电介质界面波导系统中SPPs孤子的纳米聚焦。在线性区域,得到了无损稳定传播的SPPs,并实现了SPPs与自由空间传播探测场的群速度匹配。在非线性区域,实现了SPPs与探测场交叉相位调制的增强,并推导得到了耦合的非线性薛定谔方程。利用自由空间中的窄脉冲探测光孤子,实现了SPPs孤子的空间聚焦,通过采用亮孤子对、多亮孤子对、灰孤子对解,系统研究SPPs空间聚焦的特性,研究发现空间SPPs孤子的半高全宽可以压缩到10纳米左右,即可以通过交叉相位调制实现SPPs的纳米聚焦。该研究结果对微纳尺寸精密测量、生物传感、超分辨成像等具有一定的应用价值。本文所研究内容对建立波导体系中SPPs与多能级量子发射体共振相互作用的基本理论和计算方法、深入了解SPPs的非线性和量子光学性质、设计和开发基于SPPs的全光量子逻辑器件以及探索SPPs在微纳集成全光信息处理与传输中的应用均具有较为重要的意义。

关键词：表面等离激元全光逻辑门纳米聚焦电磁感应透明主动拉曼增益

室温条件下腔QED系统中的磁光控制及其应用

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室温条件下腔QED系统中的磁光控制及其应用

作者：雷耀花陕西师范大学

学位级别：硕士

腔量子电动力学主要研究光与原子在受限空间中的相互作用。随着人们对腔量子力学不断的了解与完善,腔量子电动力学系统越来越多地被应用到量子纠缠、量子态制备、量子通讯、量子测量等方面。随着激光冷却技术的发展,人们开始研究量子腔... 详细信息

腔量子电动力学主要研究光与原子在受限空间中的相互作用。随着人们对腔量子力学不断的了解与完善,腔量子电动力学系统越来越多地被应用到量子纠缠、量子态制备、量子通讯、量子测量等方面。随着激光冷却技术的发展,人们开始研究量子腔中冷原子的动力学。但是,冷原子对温度有着极为苛刻的要求,渐渐地,人们将注意力放在室温条件下的腔QED系统。室温条件下原子存在热运动,需要考虑原子的多普勒效应。随着研究的深入进行,人们找到了消除多普勒效应的方法。在此基础上结合磁致旋光效应,我们可以构造出全新的腔-量子电动力学系统,该系统不仅可以用于弱磁探测还能够用于超窄光学滤波器等。文章主要介绍了基于两种不同机制的腔-原子系统。第一种机制是腔电磁感应透明(EIT)机制,第二种机制是主动拉曼增益(ARG)机制。在EIT机制下研究了五能级原子与腔的耦合。控制场与驱动场的加入使得体系存在两个透明通道,这两个通道中的法拉第旋转角能够用来进行弱磁探测。在室温环境下采用单光子测量法与多光子法来获得较高的灵敏度。采用单光子测量时,两个透明通道所获得的灵敏度可以达到3.8nT/(?)和6.4nT/(?);采用多光子测量时,灵敏度可以达到76.7 fT/(?)和256.1 fT/(?)。与冷原子技术条件下的弱磁探测相比,这一发现将会使得室温条件下的弱磁探测获得更为广阔的应用前景。然而,EIT机制本身存在着不可避免的缺点,如EIT系统并不能够将介质对光场的吸收完全消除,而且在室温环境条件下探测场会出现明显的衰减与失真现象,在慢光传输过程中极有可能导致光学响应速度变慢等,这些缺点限制了 EIT系统的潜在应用。由于ARG机制可以避免这些缺陷,所以,我们基于ARG机制研究了三能级原子与腔耦合系统在室温条件下的一些特殊现象。在这样的条件下,腔的透射谱线比EIT机制条件下的谱线线宽还要窄,而且腔的透射比率大于1,这就意味着探测光获得了极大的放大,消除了介质对探测光的共振吸收,消除了由此造成的对探测光的损耗,避免了多普勒效应的影响。在ARG机制下大的透射还补偿了法拉第旋转角小这一缺点,不仅如此,我们还可以通过调节控制场的拉比频率,物理量g(?)来调节系统的某些物理量来获得我们想要的结果。正是主动拉曼增益介质有着如此多的优势,该机制才受到了越来越多科学家的青睐,在一些研究领域中获得了较完美的结果,例如在对孤子传播的研究中主动拉曼增益效应可以对其产生极大的影响;在主动拉曼增益介质中实现了光学双稳态,光学多稳态;还能够通过拉曼增益来调节光脉冲的自陡峭效应;利用主动拉曼增益获得极大的克尔非线性效应等等,不仅如此,ARG体系在某些弱光探测中发挥了极大的作用。主动拉曼增益体系的非线性效应越来越多的被应用到光量子存储、全量子计算、弱光快光孤子、超快光孤子、非线性光学器件等各个领域。

关键词：腔量子电动力学电磁感应透明磁力仪主动拉曼增益光学滤波器

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相干原子介质中一些非线性现象研究

相干原子介质中一些非线性现象研究

作者：杨金金浙江师范大学

学位级别：硕士

激光器发明以来,非线性光学的研究引起人们极大的关注。众所周知,当光场与介质之间共振相互作用时,也就是入射光的频率等于介质的固有频率,即使较弱的入射光也能产生很强的非线性效应,但由于介质对入射光场较强的吸收,人们只能利用强激... 详细信息

激光器发明以来,非线性光学的研究引起人们极大的关注。众所周知,当光场与介质之间共振相互作用时,也就是入射光的频率等于介质的固有频率,即使较弱的入射光也能产生很强的非线性效应,但由于介质对入射光场较强的吸收,人们只能利用强激光与介质的非共振相互作用来获得较强的非线性效应。直到相干共振原子介质中电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency-EIT)与主动拉曼增益(Active Raman Gain-ARG)现象的提出,才扭转了这种局势。EIT不仅可使主动介质中非线性极化率的共振增强,而且还可以减少介质对光的吸收,实现超慢光传播;ARG在使非线性极化率共振增强的同时,介质不仅不会对光有任何吸收,而且还会有部分增益,同时还可实现超光速传播。这些相干共振原子系统的新奇特性吸引了大家的关注。虽然这几年对该系统已有一些研究,主要集中在线性现象、非线性传播特性等方面,但利用该系统的特性设计一些有深刻物理意义的模型或具有潜在应用价值的体系仍在起步阶段,有关的理论问题还需要进一步的探索和完善。本文利用近年我们小组发展的共振非线性光学多重尺度方法和数值模拟手段,对相干原子介质中的光学特性进行了深入研究。首先研究了N-型ARG原子介质中的光学双稳态特性,然后在EIT系统中构造了parity-time(PT)模型,研究了该系统中光场的安德森局域态和孤子。主要内容有：1、研究了ARG原子介质在单向环形腔中的光学双稳态。该系统是一个相干共振的N-型四能级原子系统,可在室温下实现,有能级失谐量、原子数密度、泵浦场、控制场等较多的可调参数,且有无增益的透明窗口。我们完全通过解析方法定量给出实现光学双稳态的条件以及可调参数的取值范围,并进一步给出实现光学多稳态的条件,为实验上实现光学双稳态与多稳态提供了理论依据。2、研究了EIT系统中非线性PT模型的一些特性。该系统是一个N-型四能级原子系统,外加一束大失谐的激光场。利用辅助场与大失谐激光场提供的外势,我们在该系统中获得了探测场包络满足的非线性薛定谔方程,包含衍射项,克尔非线性项,具有随机势的PT对称周期外势项,小的损耗项。PT势通过附加的辅助场和大失谐的激光场产生,非线性系数和PT势可通过改变失谐量、场强等系统参数调节。我们不仅可以实现线性的安德森局域态和各种孤子,还可以通过调节非线性参数进一步给出局域态与孤子的关系。同时,我们通过线性稳定性分析给出孤子的稳定区间。利用该系统不仅可实现PT模型,而且还能得到各种安德森局域态和孤子,并对它们的性质做详细的探究。利用相干共振原子介质模拟一些重要的物理模型以及开发潜在应用价值不仅可以发展和完善弱光非线性光学理论,而且对于研制弱光非线性光学器件、推动交叉学科的发展都有重要意义。

关键词：相干原子介质主动拉曼增益电磁感应透明光学双稳态 parity-time对称复势安德森局域态孤子

光在相干原子介质中传播的线性与非线性特性研究

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光在相干原子介质中传播的线性与非线性特性研究

作者：段玉华浙江师范大学

学位级别：硕士

非线性光学发展早期,人们发现光场与介质发生共振时,较弱的入射光也能获得强非线性效应,但介质对光场有强烈的吸收。因此只能利用强激光与介质的非共振相互作用来实现较强的非线性效应。直到相干共振原子介质[电磁感应透明(electromagne... 详细信息

非线性光学发展早期,人们发现光场与介质发生共振时,较弱的入射光也能获得强非线性效应,但介质对光场有强烈的吸收。因此只能利用强激光与介质的非共振相互作用来实现较强的非线性效应。直到相干共振原子介质[电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)和主动拉曼增益(active Raman gain,简称ARG)体系]的提出,才解决了共振与吸收这对矛盾。EIT系统能够抑制介质对光的共振吸收。与EIT系统有所不同的是,ARG系统却对光有增益作用。通过这两种机制,不仅可避免吸收,而且可在弱光条件下实现强非线性效应。基于上述优点,本文利用近几年发展的共振非线性光学多重尺度理论和数值模拟方法对相干原子介质中弱光非线性光学效应的一些物理特性进行深入研究。我们不仅研究该体系中孤子与涡旋的特性,而且借助该体系构造了parity-time (PT)对称模型,并研究了PT对称模型的线性和非线性特性。本文的工作主要包括：1.研究五能级M-型ARG系统中孤子和涡旋的特性。我们从原子气体与光场相互作用的基本理论出发,首先推得五能级ARG系统的Maxwell-Bloch方程;接着利用多重尺度法将模型化简成一个(2+1)维的Ginzburg-Landau方程;然后,通过系统的能级失谐量、脉冲宽度、光束束腰、控制场强度、原子数密度等可调参数,给出实现各个维度以及调节非线性、色散、衍射等效应强弱的方案,并通过数值方法求得多种形式的2维空间孤子和涡旋;最后分析孤子和涡旋的稳定性,给出系统中多种稳定的空间孤子和涡旋。2.基于EIT系统实现PT对称模型并讨论该模型的线性与非线性特性。该系统由一个N型四能级的EIT系统与一束大失谐激光场构成,外势由辅助场与大失谐激光场提供。我们在该系统中获得了探测场包络所满足的非线性薛定谔方程,包括克尔非线性项、衍射项以及辅助场和大失谐激光场产生的PT对称外势,其中,非线性系数和PT对称势可通过失谐量、场强等系统参数调节。我们求得了体系的线性本征谱和各种孤子,并对孤子稳定性作了分析。

关键词：相干原子介质主动拉曼增益电磁感应透明 parity-time对称孤立子涡旋