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表面极化激元的存储与读取研究

表面极化激元的存储与读取研究

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作者：苏骏峰华东师范大学

学位级别：硕士

近二十多年来,电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)的发现激起了人们对基于量子干涉效应的非线性光学的极大兴趣。EIT现象的基本原理是在外加控制光场的影响下,原子内部的跃迁通道之间发生量子干涉效应,从... 详细信息

近二十多年来,电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)的发现激起了人们对基于量子干涉效应的非线性光学的极大兴趣。EIT现象的基本原理是在外加控制光场的影响下,原子内部的跃迁通道之间发生量子干涉效应,从而使得原子对探测光场的吸收受到极大地抑制。除了抑制光场吸收,EIT还可以显著地改变介质的色散性质,使光场在介质中的传播速度发生改变。此外,利用EIT还可大为增强介质的非线性光学效应,为实现单光子水平下的非线性光学过程带来了希望。EIT的这些重要特性不仅开拓了弱光水平下的非线性光学研究新方向,而且在全光操控、量子信息处理、光存储与读取等领域具有十分重要的应用价值。随着社会和科学技术的发展,人们对信息存储技术的要求日益提高。新型的光存储技术有望取代现有的磁存储技术,成为新时代光与量子信息处理的重要手段。EIT的一个重要应用是光脉冲的存储与读取。近年来,国内外的许多科研工作者已经对基于EIT的光存储与读取进行了大量研究并且取得了不少研究成果。但是,至今为止基于EIT的光存储体系大多为超冷或自由空间的原子气。这样的体系或是技术手段要求很高,或是过于理想化而难以获得实际应用。所以,不少研究工作者一直在不断努力发展室温条件下基于固体介质的光存储技术,由此不仅可以解决原子气体的扩散问题,而且操作性好、实用性强。然而,尽管固体介质有很多优点,但由于存在非均匀展宽效应使得EIT效应变弱,进而导致存储效率和保真度下降。因此,如何实现光脉冲在非均匀展宽固体介质中的稳定传播以及高效率、高保真的存储与读取,是一个备受关注并亟待解决的重要课题。另一方面,近年来人们对金属―电介质界面的表面等离激元产生了极大的兴趣。因为具有良好的亚波长局域特性,表面等离激元的研究在集成光学、生物传感器、全光量子信息处理等领域具有广阔的应用前景。近几年来,通过在金属―电介质界面掺杂多能级量子发射体,使其与表面等离激元发生共振相互作用已成为一个前沿课题。然而,金属中存在的欧姆损耗给表面极化激元的应用带来了很大的限制。因此,实现长距离传播的表面等离激元是一个急需解决的问题。本学位论文的主要目的是结合表面等离激元和EIT效应的优点,对高效率、高保真度的表面极化激元的存储与读取进行深入探讨。一方面,基于EIT效应并引入辅助场为表面极化激元提供增益,由此得到可以长距离传播的表面极化激元。另一方面,利用表面极化激元的亚波长局域特性,增强固体介质中的EIT效应,实现高效率、高保真度的表面极化激元存储与读取。本文的研究工作主要集中在以下两个方面:一、表面极化激元的存储与读取。我们提出了在掺有三能级量子发射体的电介质―超颖材料界面上通过EIT实现表面极化激元的存取方案。首先,基于描述系统中光与量子发射体相互作用的Maxwell-Bloch方程组,导出了表面极化激元的色散关系;利用平均场近似方法,证明由于界面提供的强模式束缚,EIT效应极大地增强。其次,使用数值模拟的方法,证明了通过开启和关闭控制激光场可以实现表面极化激元的存储与读取。另外,还证明了利用一个弱微波激光场可以用来改善表面极化激元存储的存储效率和保真度。该研究所得结果有助于理解表面极化激元的物理特性质,也有望在光与量子信息处理中获得应用。二、光泵支持下的表面极化激元孤子的传播与存取。我们提出了在掺有四能级量子发射体电介质―超颖材料界面上,通过外加泵浦场来实现稳定表面极化激元及其存储与读取的方案。首先,通过求解体系的Maxwell-Bloch方程组得到了具有增益的表面极化激元色散关系,并证明由于辅助泵浦光场的引入可为系统提供增益,从而克服表面极化激元的在传播过程中的损耗。其次,利用多重尺度法导出了表面极化激元演化所服从的非线性包络方程,由此详细地研究了表面极化激元的性质,并证明利用该系统可实现巨克尔非线性效应,并得到稳定传播的表面极化激元孤子。最后,通过数值模拟证明,利用该体系可实现表面极化激元孤子的长程传播和高质量的存储与读取。本文的研究结果不仅有助于理解表面极化激元的物理特性,而且对于量子信息处理和传输、弱光水平下的全光操控等的实际应用有一定的理论指导意义。

关键词：电磁感应透明表面极化激元光存储与读取

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