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电磁诱导透明机制下基于四波混频过程的光学参量放大动力学研究

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电磁诱导透明机制下基于四波混频过程的光学参量放大动力学研究

作者：李金磊东北师范大学

学位级别：硕士

电磁诱导透明是一种相干激光与多能级原子共振相互作用产生的量子干涉效应,可以极大地抑制介质对信号光的吸收,通过调节控制光的强度可显著地改变介质的色散特性,进而实现对信号场的群速度操控。四波混频是一种三阶非线性参量过程,相较... 详细信息

电磁诱导透明是一种相干激光与多能级原子共振相互作用产生的量子干涉效应,可以极大地抑制介质对信号光的吸收,通过调节控制光的强度可显著地改变介质的色散特性,进而实现对信号场的群速度操控。四波混频是一种三阶非线性参量过程,相较于传统四波混频,电磁诱导透明的出现为弱光条件下实现增强的相干四波混频提供了可行方案。电磁诱导透明可以在近共振频率处增强介质非线性,从而更容易实现包括四波混频在内的非线性过程,无需强控制场的驱动,这就为量子信息的处理提供了有利方案。本文在量子光学的半经典理论框架下,从理论上研究了电磁诱导透明机制下基于相干四波混频实现光学参量放大的脉冲传播动力学。电磁诱导透明能够在保证线性吸收被极大地抑制的基础上,增强系统的非线性效果;同时利用四波混频等非线性增益使信号光与闲频光的强度增大。之前的相关工作大多是对系统稳态的研究,因此对脉冲在介质内部的动力学过程的认识不够完善,结果不够精确。本文的亮点便是对四波混频过程的动力学进行探究,发现了一些有助于更好地调控四波混频过程的物理规律。我们首先考虑双色驱动的三能级Λ型原子系统,采用少量合理近似,通过数值求解麦克斯韦-刘维尔方程,精确地模拟了信号脉冲与闲频脉冲在介质中的传播动力学。结果发现,闲频光在介质中是随光学深度增大而逐渐产生的,并不是突然形成的;生成的闲频光很弱,其强度约为信号光的万分之一;闲频光和信号光分别以快光和慢光模式传播。信号脉冲的时域展宽与不包含四波混频情况的慢光几乎相同,而闲频脉冲则发生明显的展宽,且随光学深度增加,展宽迅速增加。在前面的研究基础上,为了更方便地调整光场与原子的耦合,进而增强四波混频效应,实现对信号光的放大,我们考虑四能级双Λ型系统。同样采用数值的方法来模拟信号脉冲与闲频脉冲在介质内部的动态演化过程。结果发现,闲频光是逐渐产生和放大的,两束脉冲的强度随着光学深度的增加而逐渐增大,相应的形变系数随泵浦光的增强逐渐趋于一致。要实现光放大需要足够大的泵浦光强度与光学深度。增大泵浦光强度和光学深度会使闲频光比信号光获得更大的增益速率。分析极化率得知,两束脉冲增大不同步的原因是四波混频中混有拉曼增益,使得信号脉冲的群速度色散增强,其波形随着光学深度的增大发生了越来越明显的展宽。

关键词：电磁诱导透明相干四波混频光学参量放大慢光动力学

基于光学参量放大的互相关FROG光学任意波形测量技术的研究

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基于光学参量放大的互相关FROG光学任意波形测量技术的研究

作者：曹凤姣南京邮电大学

学位级别：硕士

随着光学任意波形产生技术的飞速发展,许多复杂的光学波形得以产生,并在生物、医学、材料科学、光通信等领域有着重要的应用。因此,如何准确地测量光学任意波形很有必要。目前常用的光学任意波形测量方法主要有双积分光谱剪切干涉法、... 详细信息

随着光学任意波形产生技术的飞速发展,许多复杂的光学波形得以产生,并在生物、医学、材料科学、光通信等领域有着重要的应用。因此,如何准确地测量光学任意波形很有必要。目前常用的光学任意波形测量方法主要有双积分光谱剪切干涉法、双频率梳互相关技术和频率分辨光学开关法。比较而言,频率分辨光学开关法能够准确地测量光学任意波形的幅值和相位,且装置简单,是一种有效的测量方法。本论文利用非线性晶体中的光学参量放大效应,设计了一种基于光参量放大(OPA)的互相关频率开关法(FROG)的光学任意波形测量方案,实现了对光学任意波形的幅度和相位的准确测量,尤其是还可以准确地测量微弱的光学任意波形,并对其工作原理行了理论分析。具体研究内容如下:(1)详细分析了实现基于光参量放大的互相关FROG任意波形测量方案所需的理论基础。重点推导了光学参量放大增益公式,分析了相位匹配方式,并针对实际需求对比选择了光参量放大晶体。最后,提出了一种基于光参量放大的互相关FROG任意波形测量方案,并介绍了该方案所采用的基于矩阵的主元素广义投影恢复算法。(2)通过Matlab软件编写该系统的恢复算法,并在MATLAB中设计了一个方便操作GUI界面。对基于光参量放大的互相关FROG光学任意波形测量系统进行了仿真,实现了光学任意波形的准确测量,验证了该测量系统的可行性。(3)分析仿真过程中对波形恢复的影响因素,主要包括噪声、迭代次数、初始猜测脉冲以及门脉冲形状对波形恢复的影响。最后通过分析光参量放大倍数与相关系数的仿真研究了该系统的测量灵敏度。

关键词：光学任意波形测量光学参量放大互相关频率分辨光学开关法主元素广义投影算法

腔光力学系统中基于光学参量放大和相干反馈的正交模劈裂

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腔光力学系统中基于光学参量放大和相干反馈的正交模劈裂

作者：李悦山西大学

学位级别：硕士

腔光力学结合了光学腔和力学,主要研究腔内光场与机械振子之间通过辐射压力的相互作用,是近年来量子光学领域的热点。腔光力学系统可用于研究宏观量子现象,如机械压缩态、机械纠缠态等,而且还可以直接产生光场的正交压缩与正交纠缠。一... 详细信息

腔光力学结合了光学腔和力学,主要研究腔内光场与机械振子之间通过辐射压力的相互作用,是近年来量子光学领域的热点。腔光力学系统可用于研究宏观量子现象,如机械压缩态、机械纠缠态等,而且还可以直接产生光场的正交压缩与正交纠缠。一般情况下,系统需要进入强耦合区域,许多量子现象才可以显现,否则量子现象可能被经典噪声淹没,因此,强耦合是用于产生和观察许多宏观量子现象(如光力压缩态和纠缠态等)的基本条件。正交模劈裂是系统进入强耦合区域的一个明显标志。本论文围绕由光学腔和可动镜组成的腔光力学系统进行研究,开展了以下工作:1.从理论上分析了基于光学参量放大和相干反馈两者相结合的方案下,可动镜位移谱及输出光场强度谱的正交模劈裂。在激光旋转框架下写出系统的哈密顿量后,然后利用海森堡运动方程并加上相应的反馈项、阻尼项和噪声项等得到朗之万运动方程,并在频域下求解,得到了频谱下可动镜位置和输出场的表达式。同时在满足系统的稳定性条件下,绘制了模式位置和线宽随参量增益、参量相位和输入激光功率的变化图。分析发现:参量增益,参量相位和输入光功率随反馈强度表现出非常相似的变化趋势,这种相似性是由于不同参量都引起了内腔功率变化。发生正交模劈裂的范围和对应的模式劈裂都依赖于多个参数,如输入激光功率,反馈强度,参数增益等,并通过多参数调节优化实现更明显的正交模劈裂,为实验上实现强耦合系统提供了理论依据。2.从理论上进一步分析了相干反馈相位对可动镜位移谱和输出场功率谱的影响。结果表明:对于某一固定的参量放大器增益、注入光功率和相干反馈的反射系数,正交模劈裂的间隔和线宽都随反馈相位变化而变化,一般是在相干反馈相位为零附近,模式劈裂较为明显。与之前只加入正反馈或负反馈相比,可优化反馈相位来增强正交模劈裂。这为我们增大光力耦合强度及正交模劈裂提供了方便,这些结果为实现更强的光力耦合提供了一条途径,可应用于宏观机械振子的基态冷却、光力学量子态和弱力的灵敏感探测。

关键词：腔光力学系统正交模劈裂光学参量放大相干反馈强耦合

混合型表面等离子体波导中光学参量放大的研究

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科技信息 2013年第17期 3-3,60页

作者：周宏丽王文波安徽理工大学理学院物理系安徽淮南232001

本文研究了利用泡克尔效应在各向异性材料与金属构成的混合型等离子体波导中实现光学参量放大的过程。研究表明,表面等离子体作为泵浦光可以通过TypeII方式实现相位匹配,使泵浦光的能量转移到表面等离子体模式中,放大表面等离子体,从而... 详细信息

本文研究了利用泡克尔效应在各向异性材料与金属构成的混合型等离子体波导中实现光学参量放大的过程。研究表明,表面等离子体作为泵浦光可以通过TypeII方式实现相位匹配,使泵浦光的能量转移到表面等离子体模式中,放大表面等离子体,从而实现表面等离子体模式远距离传输。

关键词：泡克尔效应光学参量放大表面等离子体光波导

基于周期极化LiTaO_3晶体的高增益简并啁啾脉冲参量放大

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物理学报 2007年第5期56卷 2709-2713页

作者：姜永亮赵保真梁晓燕冷雨欣李儒新徐至展胡小鹏祝世宁中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室上海201800 南京大学固体微结构国家重点实验室南京210093

根据准相位匹配理论计算了周期极化LiTaO3(PPLT)晶体中0类准相位匹配过程(e+e→e)的增益曲线.在此基础上,使用数百μJ的低抽运能量获得了～106的增益和～10.3%的转换效率,实现了中心波长位于1064nm的基于简并光学啁啾脉冲参量放大(OPCPA... 详细信息

根据准相位匹配理论计算了周期极化LiTaO3(PPLT)晶体中0类准相位匹配过程(e+e→e)的增益曲线.在此基础上,使用数百μJ的低抽运能量获得了～106的增益和～10.3%的转换效率,实现了中心波长位于1064nm的基于简并光学啁啾脉冲参量放大(OPCPA)技术的高增益放大,为产生超短超强激光脉冲提供了新的技术手段.实验结果与理论预期基本符合.

关键词：光学参量放大准相位匹配 PPLT 增益

非线性光学晶体LiBX_2(B=Ga,In;X=S,Se,Te)的研究

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化学进展 2014年第2期26卷 293-302页

作者：孙亮杨春晖马天慧朱崇强宜宾学院物理与电子工程学院宜宾644000 哈尔滨工业大学化工学院哈尔滨150001 黑龙江工程学院材料与化学工程学院哈尔滨150001

LiBX2(B=Ga,In;X=S,Se,Te)晶体具有宽的透光波段、足够大的双折射率、高的激光损伤阈值和小的双光子吸收系数等特性,是目前最具发展前景的中红外波段频率转换材料之一。本文从晶体结构入手,重点介绍了LiBX2晶体的光学性能、缺陷结构及... 详细信息

LiBX2(B=Ga,In;X=S,Se,Te)晶体具有宽的透光波段、足够大的双折射率、高的激光损伤阈值和小的双光子吸收系数等特性,是目前最具发展前景的中红外波段频率转换材料之一。本文从晶体结构入手,重点介绍了LiBX2晶体的光学性能、缺陷结构及晶体应用的最新研究成果。LiBX2晶体在二次谐波(SHG)相位匹配、差频产生(DFG)、光学参量放大(OPA)和光学参量振荡(OPO)等方面具有重要的应用前景。通过对晶体的透过光谱、吸收光谱、光致发光光谱和电子辐照的研究可以确定缺陷类型、缺陷浓度及最佳退火温度,分析晶体颜色与晶体组成和缺陷的关系。最后,提出LiBX2晶体今后应重点开展的研究方向,即获得更高光学质量的大尺寸晶体、降低晶体残余吸收和设计性能优良的抗反射膜(AR)。

关键词：非线性光学材料光学性质点缺陷锂化合物光学参量放大

近红外激光泵浦的可调谐中红外固体激光器研究进展(特邀)

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光子学报 2023年第9期52卷 1-28页

作者：陈锴徐德刚贺奕焮钟凯李吉宁王与烨姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 天津大学微光机电系统技术教育部重点实验室天津300072 北京电子工程总体研究所北京100854

基于非线性光学频率变换技术的可调谐中红外激光器在光电对抗、气体检测、生物医学等应用领域有着重要价值。近红外激光,尤其是1μm激光直接泵浦的可调谐中红外激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、稳定性高的优势。从非线性光学频率变换... 详细信息

基于非线性光学频率变换技术的可调谐中红外激光器在光电对抗、气体检测、生物医学等应用领域有着重要价值。近红外激光,尤其是1μm激光直接泵浦的可调谐中红外激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、稳定性高的优势。从非线性光学频率变换技术的核心器件——非线性晶体出发,综述新型非氧化型晶体在可调谐中红外激光产生中的应用现状,介绍了不同晶体的光学特性及实现中红外产生的方法。针对可调谐中红外激光源的调谐范围、单脉冲能量、重复频率等关键参数,分析了不同晶体的中红外产生性能及其适用的中红外产生方法。最后对近红外激光器泵浦的可调谐中红外激光器进行了展望。

关键词：中红外激光器非线性光学频率变换光学参量放大光学参量振荡差频产生

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基于光参量过程直接产生高重频超短脉冲序列

强激光与粒子束 2023年第9期35卷 46-53页

作者：王文昊周冰洁章艳芳王静马金贵张浩钱列加上海交通大学物理与天文学院上海200240 上海无线电设备研究所上海201109 复旦大学信息科学与工程学院上海200433 上海交通大学李政道研究所上海200240

论证了单晶体光参量放大(OPA)过程在特定边界条件下满足频域宇称-时间(PT)反对称性。归一化的数值求解结果显示,OPA系统PT对称阈值点附近呈现增益跃变性质。对于存在位相失配的OPA,通过实时调控泵浦光强,即可控制系统PT对称性,论文基于... 详细信息

论证了单晶体光参量放大(OPA)过程在特定边界条件下满足频域宇称-时间(PT)反对称性。归一化的数值求解结果显示,OPA系统PT对称阈值点附近呈现增益跃变性质。对于存在位相失配的OPA,通过实时调控泵浦光强,即可控制系统PT对称性,论文基于相位失配OPA中可超快调控PT对称性的特性构建了超快光开关,一方面光开关与周期性幅度调制的泵浦光联合使用,可直接将连续激光转换为超短脉冲序列输出;另一方面,构建的光开关也可用于脉冲激光再压缩,有望用于中红外波等长波段超短种子源。论文提出的基于超快光开关直接产生超短脉冲序列的方案,由于不需要光学谐振腔,易于实现大于10 GHz的超高重复频率。

关键词：二阶非线性光学光学参量放大超短脉冲序列非厄米哈密顿量频域宇称时间反对称

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相干反馈相位对腔光力系统中正交模劈裂的影响

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量子光学学报 2023年第2期29卷 59-67页

作者：李悦王义建孙恒信刘奎郜江瑞量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学光电研究所山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

强耦合是腔光力系统用于产生和观察许多宏观量子现象(如光力压缩态和纠缠态等)的基本条件,系统进入强耦合的明显标志是正交模劈裂。本文理论分析了加入光学参量放大器和相干反馈的光力系统中的正交模劈裂现象,并讨论分析了反馈回路的光... 详细信息

强耦合是腔光力系统用于产生和观察许多宏观量子现象(如光力压缩态和纠缠态等)的基本条件,系统进入强耦合的明显标志是正交模劈裂。本文理论分析了加入光学参量放大器和相干反馈的光力系统中的正交模劈裂现象,并讨论分析了反馈回路的光学相位对正交模劈裂的影响。在不同参数情况下,如光学参量放大器参量增益、反馈分束器的反射系数和输入光功率等,模式位置和线宽随相移的变化。结果表明:在其他参数一定时,通过调节反馈相位,初始无模式劈裂的系统随相位变化出现模式劈裂并达到最大的模式间隔,从而从弱耦合进入强耦合状态。而且,多个参数的协同调节,可有效提高模式劈裂的程度。该研究为实验上增强光力耦合强度的实验调节提供了方便,可广泛用于光力系统的弱力灵敏探测以及宏观量子态产生与测量等。

关键词：正交模劈裂光学参量放大相干反馈强耦合