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基于非线性调控的高功率时空锁模光纤激光器

中国激光 2024年第13期 59-65页

作者：袁家琪李阳方振张祖兴南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院

提出并研究了一种基于非线性调控的高功率时空锁模光纤激光器。在时空锁模光纤激光器中，克尔非线性导致的光束自净化效应使得分散的高阶模能量集中到基模上，有利于改善光束质量。但过高的基模功率引入了较大的非线性效应，在高泵浦功... 详细信息

提出并研究了一种基于非线性调控的高功率时空锁模光纤激光器。在时空锁模光纤激光器中，克尔非线性导致的光束自净化效应使得分散的高阶模能量集中到基模上，有利于改善光束质量。但过高的基模功率引入了较大的非线性效应，在高泵浦功率条件下导致脉冲分裂，限制了所能得到的最大单脉冲能量。通过调控多模光纤间的熔接错位量来激发更多的高阶模，利用大错位量激发的多横模平衡光束自净化效应带来的过高非线性，从而在高泵浦功率条件下得到稳定的单脉冲输出。实验中，当错位量为8μm时，输出的最大空间光平均功率达690 mW，相应的单脉冲能量达39 nJ。时空锁模光纤激光器中的非线性调控有助于进一步理解多模光纤中的非线性，并为高功率锁模激光器提供了一个新的制备方案。

关键词：时空锁模激光器多模光纤克尔非线性光束自净化

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基于自发辐射相干的克尔非线性相干调控研究

基于自发辐射相干的克尔非线性相干调控研究

作者：高海龙陕西师范大学

学位级别：硕士

自上世纪六十年代激光技术出现以来,物理学的理论研究可以在强光光源上得到实验上的论证。这使得一些领域尤其以量子力学为主导的量子光学和非线性光学得到了空前的发展。其中以激光场与物质相互作用为背景下的量子相干在量子光学领域... 详细信息

自上世纪六十年代激光技术出现以来,物理学的理论研究可以在强光光源上得到实验上的论证。这使得一些领域尤其以量子力学为主导的量子光学和非线性光学得到了空前的发展。其中以激光场与物质相互作用为背景下的量子相干在量子光学领域中发挥着重要的作用,由此引发的非线性现象成为了目前比较热门的前沿课题,例如熟知的电磁诱导透明、相干布局捕获,以及无反转激光等现象。我们知道量子相干是光与物质发生相互作用时相干场使原子的不同能级发生关联,从而使粒子发生多通道跃迁引起的现象。而且实验上构造量子相干的方法有很多种。比如当原子在不同能级之间跃迁时会伴随有自发辐射现象的产生,而由自发辐射通道之间所引起的相干称之为自发辐射相干。关于自发辐射的研究工作已经开展很多年了,而且由自发辐射诱导产生的相干对量子光学领域里的一些光学效应可以产生显著的影响。但是在实验上一直很难构建出稳定的自发辐射相干系统。尽管如此,人们依然探索出了新的方法在实验上去模拟这一物理过程。并且在此基础上关于自发辐射相干的研究取得了一些突破性的进展。例如,自发辐射相干引起光场吸收和散射的变化、瞬态增益的增强、无相干泵浦条件下的无粒子数反转,以及三阶克尔非线性在零吸收下的增强等等。在非线性光学中,三阶克尔效应的研究是目前人们关注比较多的一种光学效应。因为克尔效应在产生单光子光学孤子以及增强折射率等方面有着广泛的应用。因此对于能够获取增强的三阶克尔非线性同时能抑制吸收是有重要的实际意义的。本文的主要工作就是在考虑自发辐射相干存在的条件下,讨论相对相位对克尔非线性的影响。论文主要分为四个部分：第一部分,主要是对一些物理现象的概述。以量子相干、自发辐射相干、克尔非线性等为重点作出具体的理论解释,从而对本文的主要研究内容作理论基础。第二部分,介绍本文的研究方法：光与物质相互作用的半经典理论。主要是了解密度矩阵方法和概率幅两种量子力学计算方法。第三部分,是本文的主要工作,针对在自发辐射存在的条件下研究相对相位对三阶克尔非线性的影响,并研究发现对相对相位的调制可以使三阶克尔非线性有增强的趋势并伴随零吸收。最后一部分,是对全文工作的一个总结以及对非线性光学和量子光学领域的展望。

关键词：自发辐射相干克尔非线性量子相干

基于电磁诱导透明的克尔非线性增强及Pi相移研究

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基于电磁诱导透明的克尔非线性增强及Pi相移研究

作者：梁虹华东理工大学

学位级别：硕士

自激光发明以来,出现了许多新奇的光学现象,诸如饱和吸收、光子回波、受激布里渊散射、参量振荡、自感应透明以及四波混频等。而这些现象不再能够用线性光学的理论来解释,因此,为解释这些现象非线性光学应运而生。电磁诱导透明是由量子... 详细信息

自激光发明以来,出现了许多新奇的光学现象,诸如饱和吸收、光子回波、受激布里渊散射、参量振荡、自感应透明以及四波混频等。而这些现象不再能够用线性光学的理论来解释,因此,为解释这些现象非线性光学应运而生。电磁诱导透明是由量子相干效应引起的,其在共振频率附近具有较弱的吸收和陡峭的极化率变化的特性,使其在许多方面都具有巨大的应用价值,例如,频率转换、光速减慢以及非线性增强等。利用电磁诱导透明,人们在弱光条件下能够实现比较强的非线性极化率。于是,许多基于电磁诱导透明实现非线性增强的方案被提出,人们更多地将焦点集中于如何在弱吸收甚至无吸收的状态下得到强的非线性极化率。本文首先在加入了非相干泵浦的Tripod型四能级原子系统中对无吸收的克尔非线性增强展开了研究。采用密度矩阵方法,将非相干泵浦速率加入到密度矩阵运动方程中,通过理论计算和数值模拟,发现在合适的参数条件下,可以在两个对称的频率位置得到增强的克尔非线性,并且此时的吸收为零。通过和已有的文献对比发现:粒子数布居的变化及其对原子态的相干性带来的影响引起了克尔非线性的增强。本文的另一个重要工作是在非对称腔中基于电磁诱导透明实现π相移。在这项工作中,我们理论计算了含有原子介质的腔透射谱与反射谱,发现在反射通道中,利用腔镜的透射和反射性质可以实现交叉相位调制。这里电磁诱导透明相当于一个光学开关,当介质构成电磁诱导透明状态时,探测场会产生一个精确的π相移;当介质未构成电磁诱导透明状态时,探测场不会经历相移。相比于采用电磁诱导透明的方案和采用高精细度光学腔的方案,我们所提出的实现交叉相位调制的方案在现有的实验条件下更容易实现,而且不需要严格控制介质的光学长度就可以得到精确的π相移。

关键词：非线性光学电磁诱导透明非相干泵浦克尔非线性 Pi相移

基于不同克尔非线性的光子和磁子反聚束效应研究

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基于不同克尔非线性的光子和磁子反聚束效应研究

作者：祝卿皓延边大学

学位级别：硕士

量子光学从诞生到发展至今已有近60余年,科学家们对微观量子世界的探索从未停止。量子信息处理及其应用引起了广泛的关注。在此,为了在量子信息中应用与操纵光子,我们需要单光子源,这使得它成为热门的量子效应之一。在量子信息应用中单... 详细信息

量子光学从诞生到发展至今已有近60余年,科学家们对微观量子世界的探索从未停止。量子信息处理及其应用引起了广泛的关注。在此,为了在量子信息中应用与操纵光子,我们需要单光子源,这使得它成为热门的量子效应之一。在量子信息应用中单光子源成为了一个典型与有趣的量子效应,并且它在量子计量研究中具有潜在应用,例如,量子计算,量子模拟,量子通信和网络等。制备理想的单光子源可以通过光子阻塞的物理机制获得。光子阻塞,即光学系统中的第一个光子阻断第二个光子的激发,使光子一个接着一个,有序的输出,相应的称其为光子反聚束效应。在腔光力学系统中我们可以观测到许多奇特的量子效应,而光子阻塞机制正是其中之一,其他还包括机械振子的基态冷却与压缩态制备,光力学纠缠态的制备等。在此作为量子效应中比较重要的组成部分,光子反聚束效应已经被广泛的研究在不同的实验方案中,如量子光力系统,非线性光学系统,量子点腔的耦合系统,二阶和三阶非线性等。在本文中,主要研究了基于不同的克尔非线性来获得反聚束效应。首先,提出了由两个光学模耦合在一个谐振腔内组成的光力学系统中,在基于两个光学模之间的相互作用以及交叉克尔非线性的作用下观察光子反聚束效应的产生。为了方便起见,在两个光学模失谐相等的情况下,使两个模式合并为对称模和反对称模的形式来研究光子阻塞效应。在本文中,对称模和反对称模均可以实现光子阻塞效应,并观察到较强的光子反聚束现象。利用哈密顿与主方程进行数值模拟,得到数值解分析光子统计特性,之后观察二阶关联函数得到反聚束效应出现时的条件。同时进行解析计算得出最佳条件,我们发现其中交叉克尔相互作用与两模之间的耦合强度和频率失谐量差满足线性关系,以及两模之间的耦合强度和频率失谐量满足准线性关系。除此之外,本文还分析了在双模驱动作用下和存在双模驱动相位差的情况下,其光子反聚束效应的变化情况。这表明,通过调节该系统的交叉克尔相互作用或两模之间的耦合强度等一系列参数可以产生可调谐的单光子源。我们的研究成果对于实验上实现可调单光子源具有良好的参考价值,以及在量子信息处理和量子通信领域的潜在应用的实现提供了可能性。随后,从理论上研究了用钇铁石榴石(yttrium iron garnet-YIG)铁磁绝缘体来实现磁子阻塞。我们提出了由一个三维微波谐振器和两个YIG球组成的系统,运用磁致伸缩效应而引起YIG球的形变产生了振子模通过解耦来产生类克尔非线性与磁子的克尔非线性来实现磁子阻塞效应。该谐振器同时与两个YIG球中的磁子Kittel模式耦合,不与振子模式耦合。同时,两个YIG球之间没有直接相互作用。我们提出了两种不同的方法,通过腔-磁力耦合来实现磁子阻塞。第一种方法是利用磁子系统缀饰态的强非谐性来实现磁子阻塞,为了进一步增强反聚束效果,我们提出了另一种方法,即量子相消干涉方法来产生并增强了现有的磁子阻塞效果。我们考虑额外增加一个外部驱动场,使其产生直接相互作用的相消干涉路径,通过不同跃迁路径之间的相消干涉来抑制两个磁子的激发。与强非谐性方法相比,量子干涉方法可以获得更强的磁子反聚束效应,本文给出了实现单磁子源的理论方案,并为单磁子能级上的量子操纵提供了理论可能。

关键词：反聚束效应克尔非线性二阶关联函数单光子源单磁子源

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非对称双量子阱中的巨克尔非线性研究

非对称双量子阱中的巨克尔非线性研究

2011西部光子学学术会议

作者：严祥安张英堂刘汉臣西安工程大学理学院

由于增强的光克尔效应在全光学开关、全光学逻辑计算、偏振相位门等占着非常重要的角色,特别在弱光下获得低吸收高效率非线性极化率一直是人们渴望得到的。最近今年,研究学者已经从理论和实验上广泛地研究了在原子系统中利用量子相干消... 详细信息

由于增强的光克尔效应在全光学开关、全光学逻辑计算、偏振相位门等占着非常重要的角色,特别在弱光下获得低吸收高效率非线性极化率一直是人们渴望得到的。最近今年,研究学者已经从理论和实验上广泛地研究了在原子系统中利用量子相干消除光学共振的吸收和色散,以获得非常大的非线性光学极化率。但是,为了量子相干效应获得的大克尔非线性的应用变得更实际,相应的研究工作在固体材料中有更大的价值。与原子气体相比,固体材料有明显的优点:高的原子密度,良好的紧密性,没有原子运动。然而,多数的固体材料有比较宽的光学线宽和快的退位相速率,这些都限制了相应实验的演示。半导体量子阱具有类似原子的分立能级,而且其能级结构可以根据实际需要进行设计,又有较大的灵活性,非常适合于原子介质中观察到量子干涉现象并实现其潜在的应用价值。在本论文中,在一种半导体非对称双量子阱结构中,提出一种获得高效率克尔非线性的方案。我们采用密度矩阵的方法,通过求解本征方程解,推导出线性和非线性极化率的具体表达式。结果显示:通过适当控制激光参数和环境温度,我们可获得伴有零线性吸收和零非线性吸收的高的克尔非线性增强效应,并使用解析式对其产生的机制给予相应的解释。证明了在具有非对称双量子阱结构中获得无吸收巨克尔非线性实现的可行性。

关键词：克尔非线性半导体量子阱非线性光学

来源： cnki会议评论

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量子相干诱导负折射率材料克尔非线性的研究

量子相干诱导负折射率材料克尔非线性的研究

2011西部光子学学术会议

作者：张红军陕西师范大学物理学与信息技术学院现代光学研究所

基于量子相干原理提出了一种Ⅴ型四能级原子系统方案。研究发现,在这种高密度原子介质中可以电磁诱导产生出负折射率,从而得到外场可控的负折射率材料。进一步研究表明,通过选择合适的激光强度和失谐,可以得到弱吸收甚至无吸收的增强的... 详细信息

基于量子相干原理提出了一种Ⅴ型四能级原子系统方案。研究发现,在这种高密度原子介质中可以电磁诱导产生出负折射率,从而得到外场可控的负折射率材料。进一步研究表明,通过选择合适的激光强度和失谐,可以得到弱吸收甚至无吸收的增强的克尔非线性材料,这将会大大改善负折射率材料损耗大而限制其应用的弱点。

关键词：量子相干原子系统负折射率材料克尔非线性

来源： cnki会议评论

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基于非线性调控的高功率时空锁模光纤激光器

中国激光 2023年

作者：袁家琪李阳方振张祖兴南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院

本文提出和研究了一种基于非线性调控的高功率时空锁模光纤激光器。时空锁模光纤激光器中，由于克尔非线性导致的光束自净化效应会使得分散的高阶模能量集中到基模，有益于改善光束质量。但同时过高的基模功率将引入较大的非线性效应，... 详细信息

本文提出和研究了一种基于非线性调控的高功率时空锁模光纤激光器。时空锁模光纤激光器中，由于克尔非线性导致的光束自净化效应会使得分散的高阶模能量集中到基模，有益于改善光束质量。但同时过高的基模功率将引入较大的非线性效应，在高泵浦功率条件下会导致脉冲分裂，限制了能得到的最大单脉冲能量。通过调控多模光纤间的熔接错位量来激发更多的高阶模，利用大错位量激发的多横模来平衡光束自净化效应带来的过高非线性，从而在高泵浦功率条件下得到稳定的单脉冲输出。实验中，在错位量为8μm时，输出空间光功率最高达690mW，相应单脉冲能量最高达39nJ。时空锁模光纤激光器中非线性调控有助于进一步理解多模光纤中的非线性，并为高功率锁模激光器提供了一个新的解决方案。

关键词：时空锁模激光器多模光纤克尔非线性光束自净化

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罗森莫尔斯势宇称时间对称波导中的孤子

量子光学学报 2023年第2期29卷 68-75页

作者：党婷婷党婵娟孙慧萍王利红赵寅生大同大学物理与电子科学学院山西大同037009 国网大同供电公司山西大同037008

本文基于光波在宇称时间对称波导中传输的理论模型,数值研究各阶亮孤子在罗森莫尔斯势宇称时间对称波导中的传输特性。宇称时间对称波导的折射率分布对光具有线性聚焦作用,而增益/损耗分布可以引起光束能量的横向流动。研究结果表明:当... 详细信息

本文基于光波在宇称时间对称波导中传输的理论模型,数值研究各阶亮孤子在罗森莫尔斯势宇称时间对称波导中的传输特性。宇称时间对称波导的折射率分布对光具有线性聚焦作用,而增益/损耗分布可以引起光束能量的横向流动。研究结果表明:当折射率调制深度为正时,一阶亮孤子在该波导中传输形成波浪形光束。当折射率调制深度为负时,一阶亮孤子分裂形成两束光,一束光发生弥散,另一束光以一定的速度向前传输,而增益/损耗调制深度会影响分裂后光束的传输行为;二阶亮孤子在较低的增益/损耗调制深度下传输形成稳定的呼吸光束;三阶亮孤子在传输过程中出现光波周期分裂与会聚现象;四阶及其以上高阶亮孤子在该波导中都不能稳定传输。此研究结果可为宇称时间对称在光波导中的应用提供一定的理论依据。

关键词：宇称时间对称克尔非线性亮孤子复折射率

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自发辐射相干增强光子阻塞研究

自发辐射相干增强光子阻塞研究

作者：魏星圆陕西师范大学

学位级别：硕士

稳定可控的高性能单光子源在量子信息、量子传输等领域中扮演着非常重要的角色,因此单光子源的制备与操控是尤为重要的环节。光子阻塞是实现高性能单光子源的有效途径,因此具有很高的研究价值,利用耦合光腔系统实现光子阻塞已经在理论... 详细信息

稳定可控的高性能单光子源在量子信息、量子传输等领域中扮演着非常重要的角色,因此单光子源的制备与操控是尤为重要的环节。光子阻塞是实现高性能单光子源的有效途径,因此具有很高的研究价值,利用耦合光腔系统实现光子阻塞已经在理论和实验上有了长足的发展和进步。当原子能级满足某些特定条件时,不同自发辐射路径之间会发生量子相干,即自发辐射相干(Spontaneous Generated Coherence,简称SGC),可用于实现无反转激光、非线性增强等,因此引起人们极大地研究兴趣。本文分别在Λ型、X型以及V型三能级原子系综与光学腔的耦合系统中,对自发辐射相干效应增强光子阻塞效果进行研究。发现随着SGC效应的增强,系统二阶关联函数的值明显减小,光子阻塞效果明显得到增强。同时我们分析了其内在的原因,即两条自发辐射通道之间的量子干涉,导致了两个能级之间的额外相干,进而使得三阶克尔非线性大大增强,光子与光子之间的相互作用变强,最终导致光子阻塞效果的增强。其次,分析了腔-原子耦合强度与耦合原子数的平方根的乘积g N、原子自发辐射衰减等参数对光子阻塞的影响。研究发现在三个系统中,g N越大,二阶关联函数的值越小,光子阻塞效果越好。在Λ型原子系统中,随着原子自发辐射衰减速率g逐渐接近于g,系统的二阶关联函数也逐渐减小,光子阻塞效果逐渐增强。在V型原子系统中,随着自发辐射衰减速率g的减小,二阶关联函数的值也减小,光子阻塞的效果增强。通过合理选择这些系统参数,能够使得腔-原子系综耦合系统产生强光子反聚束现象,进而更好的实现光子阻塞效应,产生高纯度的单光子源。

关键词：光子阻塞自发辐射相干克尔非线性光子反聚束