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无磁光学非互易实验教学与设计

大学物理实验 2024年第1期37卷 52-57页

作者：王志平李哲马阳成吕亮胡志家安徽大学物理与光电工程学院安徽合肥230601

作为一种有趣的非线性光学效应,四波混频在众多领域有重要的应用。本文利用四波混频效应实现无磁的光学非互易,分别研究了信号光失谐量、泵浦光光功率和气体池温度等参量对信号光正向和反向传播时透过率的影响。实验结果表明改变这些参... 详细信息

作为一种有趣的非线性光学效应,四波混频在众多领域有重要的应用。本文利用四波混频效应实现无磁的光学非互易,分别研究了信号光失谐量、泵浦光光功率和气体池温度等参量对信号光正向和反向传播时透过率的影响。实验结果表明改变这些参量可有效地调控正向透过率,而极低的反向透过率几乎不受影响。该文对于大学物理实验教学具有一定的参考价值。

关键词：光学非互易四波混频热原子物理实验教学

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基于光学非互易的双路多信道全光操控

物理学报 2022年第18期71卷 162-171页

作者：李鑫解舒云李林帆周海涛王丹杨保东山西大学物理电子工程学院太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

基于原子热运动的极化率-动量锁定特性及腔引起的强耦合特征,设计并实现了一套无磁的光学互易-非互易传输转换方案.理论和实验证实,耦合场条件决定了系统的非互易性.在单束行波场作用下,由于多普勒效应,热原子中的非互易性取决于耦合场... 详细信息

基于原子热运动的极化率-动量锁定特性及腔引起的强耦合特征,设计并实现了一套无磁的光学互易-非互易传输转换方案.理论和实验证实,耦合场条件决定了系统的非互易性.在单束行波场作用下,由于多普勒效应,热原子中的非互易性取决于耦合场的传播方向.因此,通过改变对向耦合场的开闭,可控制基于内腔电磁诱导透明的双路单信道光学非互易传输.而在两束对向耦合场同时作用下,腔透射由单暗态转变为双暗态极子峰,其互易性输出依赖于两束耦合场之间的频率差.于是通过调谐频率差可实现基于双暗态极子峰的双路多信道互易-非互易传输调控.

关键词：光学非互易双暗态多普勒频移全光开关

基于各向同性原子介质中光学非互易性的动力学调控

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基于各向同性原子介质中光学非互易性的动力学调控

作者：裴笑山海南师范大学

学位级别：硕士

光子器件具有高效、稳定、易于集成等特点,因此在量子计算和信息处理的中具有极其重要的应用。非互易量子光学是实现全光二极管、芯片隔离器等新型光子器件的重要理论。本论文基于原子密度均匀分布的各向同性介质,利用激光场的相干调控... 详细信息

光子器件具有高效、稳定、易于集成等特点,因此在量子计算和信息处理的中具有极其重要的应用。非互易量子光学是实现全光二极管、芯片隔离器等新型光子器件的重要理论。本论文基于原子密度均匀分布的各向同性介质,利用激光场的相干调控实现探测光反射的非互易性。具体如下:首先,在第一个工作中我们利用两个强耦合场和一个弱探测场与原子作用构成四能级tripod相干原子模型系统。在此系统中,通过控制耦合场强度在空间域上的线性变化,使得极化率实部和虚部遵循宇称-时间(Parity-Time,PT)反对称和对称性,实现了双色非互易光反射的动力学调控。特别地,甚至可以在EIT窗口处实现双色的单向性反射。然后,在第二个工作中我们将耦合场的拉比频率调整为随空间周期性变化的函数,在较简单的三能级Λ相干原子模型中调制极化率实部和虚部仍满足PT对称和反对称的关系,说明了实现反射非互易的必要且充分的条件,探究了反射率非互易性随耦合场周期性变化的规律,并且可以控制探测光透射谱的出现或消失。最后,在第三个工作中我们在V模型相干原子系统中借助微波场作用来实现探测光的增益,利用随位置线性变化的耦合场,实现了非互易光反射的放大。进一步地,通过三个激光场之间的相对相位调制非互易反射的频率范围以及对比度等。总之,我们的工作为非互易光传播的操控提供了更多的可能性,在量子计算和信息传递等领域具有潜在的应用价值。

关键词：光学非互易单向反射空间周期性微波场相对相位

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基于原子光学非互易效应的实验研究

基于原子光学非互易效应的实验研究

作者：李鑫山西大学

学位级别：硕士

基于原子非线性效应的光学非互易性及光控量子门操控已成为近年来研究的热点,其在实现以全光模式并行的高速量子计算、高效率信息存储交换及量子通讯等量子信息处理领域起着非常重要的作用。基于热原子(如铯、铷等碱金属原子)的多普勒效... 详细信息

基于原子非线性效应的光学非互易性及光控量子门操控已成为近年来研究的热点,其在实现以全光模式并行的高速量子计算、高效率信息存储交换及量子通讯等量子信息处理领域起着非常重要的作用。基于热原子(如铯、铷等碱金属原子)的多普勒效应,其在不同方向的耦合光场作用下可展现出无磁的光学互易-非互易传输特性。本文以热的铯原子为研究对象,研究分析了在两种不同原子能级及实验系统下表现出的非互易效应。研究内容主要分为以下三部分:第一部分:对光学非互易的基本概念及原理进行阐述,简单介绍了光学非互易研究现状。第二部分:理论构建了Λ型三能级热原子-腔耦合系统,对该系统在不同耦合场作用下双向信号光的吸收和色散特性进行了分析。实验上测量了双向信号光穿过三能级原子及简并二能级原子-腔耦合系统的腔透射谱,通过调节耦合光的方向及频率失谐等参量,展现了双向单信道光学非互易现象及多信道互易-非互易转换机制;并实验演示了基于单-双暗态极子峰输出的逻辑门操控方法。第三部分:在F=4→F=4简并跃迁能级系统下,开展受激简并四波混频效应的研究。在两束对射的信号光和泵浦光作用条件下,实验分析了不同泵浦光条件对四波混频效率及非互易放大的影响;并且分析了各四波混频信号场之间的噪声特性。探索一套基于简并四波混频效应和非互易放大相结合的多通道光控逻辑门操控的实验方案。

关键词：光学非互易多普勒频移简并四波混频单光子失谐

热运动诱导三脚架形四能级原子系统双频带光学非互易传输的研究

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热运动诱导三脚架形四能级原子系统双频带光学非互易传输的研究

作者：王鹏陕西师范大学

学位级别：硕士

光学非互易传输在光学隔离器、光学二极管、光学循环器等光学器件方面有重要的应用。近十几年来,由于基于法拉第磁光效应的光学非互易器件存在不便于集成化和成本高等缺点,人们着重于进行无磁光学非互易的研究,目前较为成熟的方案有:对... 详细信息

光学非互易传输在光学隔离器、光学二极管、光学循环器等光学器件方面有重要的应用。近十几年来,由于基于法拉第磁光效应的光学非互易器件存在不便于集成化和成本高等缺点,人们着重于进行无磁光学非互易的研究,目前较为成熟的方案有:对介质的折射率进行时空调制、利用介质的非线性、利用手性量子光学、利用光机交互系统以及基于热原子运动导致光学多普勒效应诱导的量子相干实现光学非互易。基于热原子系统中的多普勒效应实现光学非互易传输,作为一种新技术,实验中不需要提供额外的磁场、电场及特殊的光机系统等,所需的实验条件较为简单且比较容易实现,给光学非互易的发展带来了新机遇。我们结合四能级原子系统的电磁感应透明效应的研究基础,利用原子热运动导致介质感受到光的频移与光的传播方向有关,理论上提出了一种能在四能级三角架型原子系统中实现光学非互易的方案,实现了双频带、宽带宽、高隔离比的光学非互易传输,研究结果如下:(1)在介质的两个电磁感应透明窗口处,探测光都可以实现非互易传输;(2)非互易传输区间的宽度可以由控制场的强度进行调节,研究发现随着控制场强度的增大而变宽;(3)非互易传输区间的位置随着控制场失谐量的改变而发生改变;(4)两个非互易传输区间可以由两个控制场独立地调控:增加或者减小其中任意一个控制场的强度,可以有效调控其中一个非互易传输区间的频率宽度而不影响另一个非互易传输区间的宽度;此外,调节任意一个控制场的失谐量,可以使其中一个非互易传输区间的位置发生移动而不影响另一个非互易传输区间的位置。该研究结论将为设计多频带激光器的保护器件提供了一些新思路,在多频带的光隔离器件和光信息识别方面有潜在的应用前景。

关键词：光学非互易多普勒效应双频带

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四能级原子系统中光学非互易的理论研究

四能级原子系统中光学非互易的理论研究

作者：徐洁雅吉林大学

学位级别：硕士

光学非互易器件可以对光信号的传输进行有效控制,因此,在能够安全高效处理信息的全光传输和量子信息网络中具有很大的研究价值。传统的实现光学非互易的方法需要用到法拉第旋转器,这种方法由于通常需要大量磁体,有可能对光学元件和附近... 详细信息

光学非互易器件可以对光信号的传输进行有效控制,因此,在能够安全高效处理信息的全光传输和量子信息网络中具有很大的研究价值。传统的实现光学非互易的方法需要用到法拉第旋转器,这种方法由于通常需要大量磁体,有可能对光学元件和附近设备磁场有影响,同时因为一些因素,如反射等的限制导致传输效果很难进一步提高。所以,无磁的非互易的研究就显得很重要。因电磁感应光透明效应具有透射性高、色散性强、非线性效应高等特性,我们选择基于电磁感应光透明效应,并考虑原子随机热运动引起的多普勒效应,进行光学非互易的理论研究,主要内容如下:1、本文运用光与原子相互作用的半经典理论方法,以电磁感应光透明现象为基础,在四能级N1型(将探测场加在中间)原子系统中进行了光学非互易的理论研究。为了实现光学非互易,我们设想两个强激光场在原子系统中以两类不同的方式进行传播:第一类传播方式是安排强耦合场和强控制场同向传播,弱探测场相对于耦合场同向和反向传播;第二类是考虑强耦合场和强控制场在传播方向相反的情况下,弱探测场相对于耦合场同向和反向传播,因多普勒效应的存在,原子系统在两类传播方式下会出现对弱探测场吸收不同的光学非互易现象。通过数值模拟,探究各参量对光学非互易的影响,如温度、耦合场、控制场的场强大小;探究一定参数下光学非互易的效果,如在一定场强范围内的隔离比和对比度情况。2、转换成四能级N2型原子系统(探测场加在一侧)继续对光学非互易进行探究,包括各参数,如温度等的影响及一定参数下的光学非互易效果,得到了较大的隔离比和对比度。3、继续探究四能级三脚架型原子系统中的光学非互易情况,并对三种四能级原子系统的光学非互易效果进行比较。本文在三种四能级原子系统中实现的光学非互易方案,考虑了两个强激光场共反传播的情况,可以作相应实验的理论参考,为光学非互易的进一步研究提供了理论依据,在全光信息传输和量子信息网络领域有一定潜在的应用价值。

关键词：电磁感应光透明多普勒效应原子热运动光学非互易

拉锥光纤的弯曲损耗与基于拉锥光纤的光学非互易传输系统的小型化研究

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拉锥光纤的弯曲损耗与基于拉锥光纤的光学非互易传输系统的小型化...

作者：郭嘉豪华东理工大学

学位级别：硕士

拉锥光纤完美结合了光纤光学和纳米技术,近年来在光的产生、传输、调控、转换及测量等方面得到了广泛的研究和应用。拉锥光纤不仅具有传输损耗低、制备过程可控等传统光纤的优点,还因为其工作区,即束腰区的直径接近所传输光的波长以及... 详细信息

拉锥光纤完美结合了光纤光学和纳米技术,近年来在光的产生、传输、调控、转换及测量等方面得到了广泛的研究和应用。拉锥光纤不仅具有传输损耗低、制备过程可控等传统光纤的优点,还因为其工作区,即束腰区的直径接近所传输光的波长以及包层和纤芯折射率差很大而有着光场约束能力强、倏逝场比例高等新的特点。因此,拉锥光纤在光学传感器方面应用广泛,其利用了拉锥光纤的弯曲损耗,即光纤受到外力弯曲后造成的功率损失。本文用有限元方法模拟研究了绝热直线型拉锥光纤各个位置处不同弯曲半径下的弯曲损耗及受力形变,发现光纤过渡区中的芯模截止区对于弯曲特别敏感,而且在小的弯曲半径下透射率还会出现先升后降的异常变化,这是由于该区域临界锥角取值最小绝热条件最容易被破坏所造成的,这些结果可以为拉锥光纤压力传感器的设计以及其他方面的传感应用提供参考。另一方面,拉锥光纤在光学非互易传输方面也有一定前景,这是利用了其束腰区的强倏逝场。本文设计了基于拉锥光纤与热铷原子相互作用实现光学非互易传输的实验方案和装置,并搭建出小型化的相互作用系统,该系统体积小,可以与真空系统分离,可便携,为实现无磁光非互易器件的小型化和集成化打下了一定基础。

关键词：拉锥光纤弯曲损耗光学传感器光学非互易热原子系综

基于非守恒耦合光学微腔的异常散射和非互易传输研究

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基于非守恒耦合光学微腔的异常散射和非互易传输研究

作者：刘琦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来随着科技的进步,人们对信息处理器件的要求越来越高。而目前基于电子的通讯器件存在传输瓶颈、功耗增加等问题,很难满足当今社会对快速通讯、器件集成的需求。以回音壁模式(WGM)微腔为核心单元的光子集成芯片受到越来越多的关注,... 详细信息

近年来随着科技的进步,人们对信息处理器件的要求越来越高。而目前基于电子的通讯器件存在传输瓶颈、功耗增加等问题,很难满足当今社会对快速通讯、器件集成的需求。以回音壁模式(WGM)微腔为核心单元的光子集成芯片受到越来越多的关注,WGM微腔具有极小的尺寸,能够集成在芯片上,并且具有较高的品质因子,能够将光局域在一个几十微米量级的区域内,极大的增大了光强,对于WGM微腔的研究是应对大数据时代的关键。由于WGM制作技术等因素的限制,足够长的光子寿命以及极高的品质因子很难实现,因此严格来讲,WGM微腔内的顺、逆时针腔模之间为非守恒耦合。首先,针对常见的以WGM微腔为核心单元的片上结构进行研究。在前向入射、后向入射信号光的两种情况下,分别求得全通型滤波器(NF)和分插滤波器(ADF)的WGM微腔内腔模的模式动力学方程,以及锥形波导各个端口的输入-输出关系。其次,分析了非守恒耦合分插滤波结构(NCC-ADF)中腔模的模式动力学方程。设计了两种NCC-ADF模型,分别在Add端口连接一个增益驱动系统和一个镜像反射系统,使得逆时针腔模能够经过这一额外的系统,但是顺时针腔模不能经过,这就导致了腔模之间存在额外的耦合项。选择不同的信号输入端口,分析了前、后向入射时对应的腔模的模式动力学方程,以及各个端口的输入-输出关系。最后,分析了NCC-ADF的特殊传输性质。当在Add端口连接一个增益驱动系统时,通过对顺、逆时针腔模耦合产生的超模进行分析,发现当满足一定的参数组合时,总存在一种超模为无损耗的超模,透过率非常高,定义满足这种情况的点为“异常散射点”(ESP)。当在Add端口连接一个镜像反射系统时,在线性条件下对系统进行理论分析,发现前、后向入射信号光时,微环腔内腔模的总能量存在非互易现象,并且分析了镜像反射系统的反射系数对超模能量、透过率的影响。设计了一种NF和NCC-ADF级联的系统,前、后向入射功率足够大的信号光时,NF和NCC-ADF分别处于线性、非线性状态,利用非线性条件下腔模的共振频率发生红移现象,能够实现光的非互易传输。

关键词：回音壁模式微腔非守恒耦合时域耦合模理论光学非互易

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双腔光力学系统中光学非互易

量子电子学报 2020年第3期37卷 328-336页

作者：王婧通化师范学院物理学院吉林通化134000

光学非互易在光学信号处理和量子网络等方面具有极其重要的应用。研究了含有两个机械振子的双腔光力学系统中光学非互易。该系统中两个机械振子之间存在库仑相互作用,两个光学腔场通过光纤耦合在一起。利用系统算符的时间演化方程,结合... 详细信息

光学非互易在光学信号处理和量子网络等方面具有极其重要的应用。研究了含有两个机械振子的双腔光力学系统中光学非互易。该系统中两个机械振子之间存在库仑相互作用,两个光学腔场通过光纤耦合在一起。利用系统算符的时间演化方程,结合频域下标准的输入输出关系,得出传输振幅方程。结果表明当两个光学腔场在红边带上时,光力相互作用和腔腔线性耦合相互作用这两条路径之间的量子相干效应,可以使双腔光力学系统呈现出光学非互易。进一步研究表明,相位差既能决定双腔光力学系统中能否出现光学非互易,又能决定发生光学非互易时的方向。此外还发现通过增强有效光力相互作用的大小或腔腔线性耦合强度的大小,可以增强光学非互易。

关键词：量子光学腔光力学系统光学非互易相位差