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拉盖尔—高斯腔光力学系统中的光力学诱导透明现象及其应用

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拉盖尔—高斯腔光力学系统中的光力学诱导透明现象及其应用

作者：彭家鑫上海师范大学

学位级别：硕士

光力学诱导透明(Optomechanically induced transparency,简称OMIT)是腔光机械系统中的一种干涉现象,其可以看作是原子介质中电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency,简称EIT)现象的光力学模拟。具体而言,光力学诱导透明描述的是光机械系统在强驱动场的作用下对弱探测场呈现透明,即不吸收的现象。腔光力学诱导透明作为光机械系统中的一种重要光学现象,已经被应用到了诸多领域,如精密测量、光学通信以及快慢光的传播。此外,通过在振动腔光机械系统中集成更多的光学或力学子系统,如机械振子、耦合腔、原子等,光力学诱导透明被扩展到了多重OMIT的情况。然而,当前对OMIT的研究主要是基于辐射压为主导的振动法布里-珀罗腔,而对其他腔光机械系统中的OMIT现象研究较少。本论文主要是以拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,简称L-G)腔光机械系统为平台,研究了这类系统中的OMIT和双重OMIT现象,并提出了相应的应用。在对光力学诱导透明现象及其相关应用等背景知识介绍的基础上,我们主要开展了以下工作:第一,我们详细研究了拉盖尔-高斯旋转腔光机系统中的OMIT现象,其可以看作是法布里-珀罗腔中OMIT现象的类比,并发现OMIT的窗口宽度紧密依赖于光场的轨道角动量,据此我们提出了一种测量拉盖尔-高斯光场轨道角动量的方案。该方案与以往利用干涉法测量涡旋光场轨道角动量的方案具有本质上的不同,为涡旋光场轨道角动量探测器的实现提供了一条全新的途径。第二,我们研究了拉盖尔-高斯旋振腔光机械系统中出现的双重光力学诱导透明现象。在我们的方案中,双重光机械诱导透明的实现自然地源于单个旋振镜,两个透明窗口分别产生于拉盖尔-高斯光场与旋振镜的振动模式和转动模式之间的耦合。相比于以往实现双重光力学诱导透明的方案,本方案简单易行,不需要集成其它光学或机械子系统,避免了系统繁琐和集成技术上的困难。此外,我们还研究了该系统中斯托克斯场的相关性质。

关键词：光力学诱导透明拉盖尔-高斯光轨道角动量拉盖尔-高斯腔

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拉盖尔-高斯光束通过双透镜聚焦系统的传播

内蒙古大学学报（自然科学版） 1999年第1期30卷 30-34页

作者：黄永明杨性愉内蒙古大学实验测试中心内蒙古大学物理学系

运用惠更斯－菲涅尔原理和取样理论，推导了拉盖尔－高斯光束通过可由ＡＢＣＤ转换矩阵描述的双透镜聚焦系统传播的循环求和公式．

关键词：拉盖尔-高斯光双透聚焦系统衍射图案

利用高阶拉盖尔-高斯横模精确测量法布里-珀罗腔内原子的运动轨迹

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物理学报 2015年第22期64卷 225-233页

作者：王延娜赵迪方爱平蒋臣威高韶燕李福利西安交通大学理学院应用物理系西安710049

研究了冷原子与法布里-珀罗腔内拉盖尔-高斯横模强耦合相互作用体系的透射光谱,分析了透射光谱与原子在腔中运动轨迹的关系.结果表明,与厄米特-高斯横模相比,拉盖尔-高斯横模的腔场与原子的最大耦合系数几乎不随阶数的增加而变化,使得... 详细信息

研究了冷原子与法布里-珀罗腔内拉盖尔-高斯横模强耦合相互作用体系的透射光谱,分析了透射光谱与原子在腔中运动轨迹的关系.结果表明,与厄米特-高斯横模相比,拉盖尔-高斯横模的腔场与原子的最大耦合系数几乎不随阶数的增加而变化,使得探测光谱的对比度受模式阶数的影响较小.在拉盖尔-高斯横模场分布的圆环边缘附近,原子运动轨迹的微小偏移会引起透射光谱的很大变化,因此在这些位置可以实现原子运动轨迹的高精度探测.

关键词：光学微腔拉盖尔-高斯光原子轨迹

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傍轴光场矢量空间结构的传播演化与复现

傍轴光场矢量空间结构的传播演化与复现

作者：仲茹月哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

傍轴光场的横向结构及其在传播过程中的演化可以用傍轴波动方程描述,其矢量特征可由偏振态刻画。矢量结构光具有空间非均一偏振态,这种现象源自光场内禀自旋-轨道耦合（Spin-Orbit ***）效应,是一种光学SOC态。近年来,对具有传播不变横... 详细信息

傍轴光场的横向结构及其在传播过程中的演化可以用傍轴波动方程描述,其矢量特征可由偏振态刻画。矢量结构光具有空间非均一偏振态,这种现象源自光场内禀自旋-轨道耦合（Spin-Orbit ***）效应,是一种光学SOC态。近年来,对具有传播不变横向结构的矢量结构光物理本质和潜在应用的探索,促进了现代光学和光子学众多研究领域的发展。目前关于矢量结构光场的研究仅仅局限于横向光斑分布简单、径向对称的涡旋光束。对于复杂模式矢量结构光场的成像规律的研究,一方面会为三维矢量光场的传播与调控提供理论基础,另一方面也能拓展矢量结构光场在光与物质相互作用领域中的调控应用空间。以模间相位对傍轴光场横向结构的影响、古伊相位的拓扑起源、矢量结构光可视化描述和实验制备技术为研究基础。从傍轴波动方程的本征模式入手,利用不同本征模式叠加构造傍轴光场的非本征矢量模式。重点研究基于拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian）LGpl（p为径向指数,l为角向指数）模式构造的矢量结构光传播特性及其制备与表征手段。在此基础上,针对不同模态阶次的本征和非本征矢量模式（LGpl模式叠加）,分析古伊相位对矢量结构光的影响,探究其横向结构在自由空间中的传播演化规律。最后,基于空间光调制器的复振幅调制,实验制备不同类型的矢量结构光场,并根据分数阶古伊相位研究矢量结构光场的传播规律,验证理论预测的准确性。本文研究了不同阶次的本征模式叠加产生的非本征矢量模式在传播过程中积累分数阶古伊相位,导致矢量结构光的偏振剖面和强度剖面随传播距离的变化而变化。在物理层面上揭示了非本征矢量高斯模式的传播演化和复现是由SOC空间以及空间模式子空间中的模间古伊相位差导致的。这一基本原理为设计具有自定义传播演化属性的矢量结构光提供了指导方法。在技术层面上提出并论证了一种自稳定偏振干涉仪能够高精度的产生任意矢量结构光场并且兼容数字传播技术,该技术对高维光子态的产生调控及表征研究具有重要意义。

关键词：矢量结构光场自旋-轨道耦合古伊相位拉盖尔-高斯光模间相位

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基于涡旋光诱导的量子光学效应的调控

基于涡旋光诱导的量子光学效应的调控

作者：仇晶安徽大学

学位级别：硕士

涡旋场自1992年被提出以来,就受到了人们的普遍关注。涡旋场波前相位中包含与轨道角动量相关的螺旋相位因子,使其可以被应用在量子存储,量子信息领域中。本文在光与物质相互作用的过程中考虑了涡旋光场的影响,研究了在涡旋场的作用下,... 详细信息

涡旋场自1992年被提出以来,就受到了人们的普遍关注。涡旋场波前相位中包含与轨道角动量相关的螺旋相位因子,使其可以被应用在量子存储,量子信息领域中。本文在光与物质相互作用的过程中考虑了涡旋光场的影响,研究了在涡旋场的作用下,电磁诱导透明,四波混频等经典量子光学效应所产生的新奇的现象。论文基本概况如下:首先,我们利用涡旋光作为控制场与Rb原子相互作用。在三能级的原子系统中,我们基于空间电磁诱导透明效应,提出了一种产生新型结构光的方案。所产生的结构光可以由耦合场控制。由于拉盖尔‐高斯场和恒定耦合场诱导的联合量子干涉的作用,不同的空间依赖光束可以通过测量介质对光的探测吸收来得到。这个方法可能在光学和新奇的量子技术方面有着潜在的应用。接下来,我们研究了在四能级的原子系统中,通过四波混频过程产生涡旋调制的现象。将涡旋场引入到四波混频过程中,与原子相互作用的涡旋场作为耦合场,利用四波混频过程,涡旋光的螺旋相位被有效的传递到了产生的四波混频场中,并且通过改变探测场的失谐,产生的四波混频场的螺旋相位也发生改变。利用色散关系,我们详细的解释了这个现象。我们还研究了产生的四波混频场与高斯场的干涉图样,将相位调制现象呈现在了更利于实验观察的光强分布上。这个研究也许能够为探索基于轨道角动量的量子光学和量子信息技术提供帮助。最后,我们研究了在半导体量子阱介质中,通过四波混频过程产生涡旋光场的方法。通过改变探测场失谐和控制场失谐,我们可以有效地调制产生的四波混频场的相位和强度。我们发现当探测场和控制场失谐相等时,介质的吸收和色散都被有效的抑制。同时四波混频的转换效率也达到最大,最大的四波混频转换效率为50%。这个过程将涡旋场的螺旋波前从输入光传递到了输出光,可能会应用到固态量子光学和量子信息过程中。

关键词：拉盖尔-高斯光电磁诱导透明四波混频空间调制

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四能级原子系统中空间光学效应的研究

四能级原子系统中空间光学效应的研究

作者：周杨安徽大学

学位级别：硕士

近些年,由于轨道角动量光在与物质相互作用中有着丰富的物理特性,在经典领域和量子领域,包括光场调控、通信和高维量子信息,使用携带轨道角动量的结构光已经成为一个活跃的研究领域。本文结合了轨道角动量光与四波混频,提出在双阶梯原... 详细信息

近些年,由于轨道角动量光在与物质相互作用中有着丰富的物理特性,在经典领域和量子领域,包括光场调控、通信和高维量子信息,使用携带轨道角动量的结构光已经成为一个活跃的研究领域。本文结合了轨道角动量光与四波混频,提出在双阶梯原子系统中使用轨道角动量光,开展了涡旋四波混频以及非线性串扰调控的研究,使涡旋光和四波混频及其内容得到了丰富和应用。相关的研究方法和理论分析会有助于轨道角动量光在量子光学以及量子信息方面的研究。具体内容如下:(1)对紧密循环双阶梯原子系统中通过双光子共振四波混频过程的螺旋相位调控进行了理论分析。我们的重点是了解双光子共振在四波混频过程中螺旋相位控制中的作用。我们给出四波混频场的强度和相位随失谐变化的空间分布图,并给出相关的色散关系图。通过研究发现,当调节相应的参数时,可以很容易的改变涡旋四波混频场的强度和影响其相位。当满足双光子共振条件时,可以有效地操纵螺旋相位,这与在非双光子共振的情况下观察到的情况恰好相反。当我们改变轨道角动量场强度时,发现轨道角动量场强度的变化会对生成的四波混频场的强度和相位产生影响。此外,我们还研究了四波混频场和同频高斯光束的叠加模式分析,给出干涉条件下的四波混频场与高斯光的强度与相位分布图。结果表明,干涉模式同样可以通过失谐量来调控四波混频场。证明了双光子共振条件在螺旋相位的调控中起着重要作用。我们的研究结果可能在单个原子的操纵、双组分慢光的光转移、OAM多路纠缠等等方面有用。(2)从理论上研究了双阶梯系统中两个探测通道之间非线性串扰效应的传播动力学。我们推导了基于串扰效应描述探测场传播动力学的解析解。在非线性过程中,我们发现通过调控相关的参数可以很容易的操纵两个探测场的大小。我们给出了基于不同参数时,探测场强度的绝对值与径向距离的关系图,并进行了详细解释。在双梯形系统中,有效的串扰控制可以作为一种可控的相关光子源在光通信和量子信息处理中找到许多潜在的应用。

关键词：四波混频轨道角动量拉盖尔-高斯光

不同分布函数下的朗道阻尼和碰撞对受激拉曼散射的影响

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不同分布函数下的朗道阻尼和碰撞对受激拉曼散射的影响

作者：谢善秀湖南大学

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激光与等离子体相互作用是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)中重要的过程,该过程存在的不稳定性问题影响点火。受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)是常见的不稳定性之一,激光与等离子体作用时,激光衰变为两... 详细信息

激光与等离子体相互作用是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)中重要的过程,该过程存在的不稳定性问题影响点火。受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)是常见的不稳定性之一,激光与等离子体作用时,激光衰变为两个子波即散射光波和朗缪尔波,该过程会导致一系列不利于点火的问题,如损失能量、破坏辐射对称性、预热聚变燃料等,所以抑制SRS是惯性约束聚变的研究热点。本文主要通过理论与Vlasov模拟研究不同分布函数下的朗道阻尼与碰撞对受激拉曼散射的影响,其次讨论拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光与等离子体的相互作用。本论文包括以下三个部分:第一部分(第2章):基本理论以及模拟方法的介绍。朗缪尔波与散射波都是SRS过程的产物,朗缪尔波的本质是等离子体振荡,所以本工作从等离子体振荡开始理论推导,采用动理学的方法求导麦克斯韦分布下的朗缪尔波色散关系、朗道阻尼以及SRS增长率。公式表明,朗道阻尼的大小主要与波数k和德拜长度的乘积成正相关关系;SRS增长率朗道阻尼呈负相关的关系。由于无法从SRS模拟中分离出朗缪尔波的朗道阻尼,本工作采用电磁Vlasov模拟SRS过程从而获得SRS增长率,采用静电Vlasov模拟SRS激发的朗缪尔波从而获得朗道阻尼。第二部分(第3章):受激拉曼散射演化过程中有三种电子分布函数,分别是:初始的麦克斯韦分布、由于粒子捕获而产生的平台分布与后期加热形成的双麦克斯韦分布。通过动理学理论推导不同电子速度分布下的朗道阻尼公式并且采用静电Vlasov模拟验证朗道阻尼公式。麦克斯韦分布下朗道阻尼的大小主要与6)有关且随着6)增大而增大;平台分布下的朗道阻尼由于所设置的分布在相速度处的导数为0,故该朗道阻尼理论值为0,但是真实的平台分布函数难有解析表达式,因此预设使相速度处一阶导数为0的平台分布,发现模拟的阻尼值并不为0,且随着6)的增大而增大。双麦克斯韦分布下的朗道阻尼随6)的增大先增大后减小再增大。其次利用电磁Vlasov程序模拟不同分布函数下的受激拉曼散射过程,同时采用静电Vlasov模拟程序模拟对应参数下的朗缪尔波,探究朗道阻尼与SRS增长率的关系。模拟结果表明,朗道阻尼与SRS增长率是反相关的关系。麦克斯韦分布下的SRS增长率随着6)的增大而减小。平台分布下的6)越大或平台宽度越小,SRS增长率则越小。双麦克斯韦分布下,热电子占比越高,SRS增长率越小;热冷电子温度比在7左右能够很好的抑制SRS增长率。最后研究电子-离子碰撞阻尼对SRS增长率的影响,结果表明,碰撞阻尼对本工作的研究有一个很小的修正作用。以上的研究加深SRS过程的理解,并提供调控分布函数在高朗道阻尼状态下抑制SRS的思路。第三部分(第4章):通过粒子模拟(Particle-In-Cell,PIC),探究拉盖尔-高斯光与等离子体相互作用,为之后探究将LG光作为泵浦光的SRS做铺垫。结果表明,LG光与等离子体相互作用会影响LG光的模式,反射光电场的模式不变,透射光电场模式发生变化,这说明可利用等离子体反射产生高阶的拉盖尔-高斯光,但该方法缺点是能量转换效率略低。进行斜入射时,发现LG光在反射时最后出现的反射点与最初入射点不一致,反射角与入射角相等。这些探究使我们对拉盖尔高斯激光与等离子体相互作用有更深的理解,也为进一步研究打下一定的基础。本论文的主要创新点:1.通过动理学理论与模拟的结合,研究SRS演化过程中不同电子速度分布下的朗道阻尼与SRS增长率的关系,结果表明,朗道阻尼与SRS增长率呈反相关的关系。2.根据电子分布函数中的平台宽度、热电子占比以及热冷电子温度比对SRS的影响提供抑制SRS的思路。3.将拉盖尔-高斯光作为激光等离子体相互作用的泵浦光,探讨其激光等离子体相互作用。

关键词：受激拉曼散射朗道阻尼电子分布函数碰撞阻尼拉盖尔-高斯光

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量子相干系统中涡旋超拉曼散射的研究

量子相干系统中涡旋超拉曼散射的研究

作者：陈俊强安徽大学

学位级别：硕士

非线性光学是研究强激光如何与物质相互作用的学科,因此,各种激光、非线性光学材料以及非线性光学效应一直是该领域研究的三个重点方向。其中超拉曼散射是李荫远院士于1964年在理论上提出的一个概念,并且Terhune等人于1965年在实验上证... 详细信息

非线性光学是研究强激光如何与物质相互作用的学科,因此,各种激光、非线性光学材料以及非线性光学效应一直是该领域研究的三个重点方向。其中超拉曼散射是李荫远院士于1964年在理论上提出的一个概念,并且Terhune等人于1965年在实验上证明了超拉曼散射的存在。随着对光、光学介质材料和非线性效应的深入研究,人们不仅发现了携带轨道角动量的拉盖尔高斯光,还发现了红外激光场与处于强磁场中的石墨烯耦合可以产生效率较高的电磁诱导透明、四波混频和超拉曼散射等非线性光学效应。此外,超拉曼散射与其他非线性光学过程存在着竞争效应。这些对超拉曼散射的研究都没有涉及到外加光场和超拉曼场的空间特性。我们提出一种基于冷原子系统中电磁诱导透明的控制空间依赖的超拉曼散射的方案。通过调整不同的系统参数,可以有效地调制所产生的拉曼场的相位和强度。具体地说,我们证明了电磁诱导的透明性产生了量子干涉,从而大大提高了产生的拉曼场的效率。此外,我们还提出了一种在磁场作用下,通过单层石墨烯中的超拉曼散射来传输轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光的方案。通过求解薛定谔-麦克斯韦方程,我们导出了稳态条件下线性磁化率和产生的拉曼电场的显式解析表达式。由于狄拉克点附近独特的电子性质和选择规则,我们发现在超拉曼散射过程中产生了相结构特别是从泵浦场到拉曼场的高保真转移。有趣的是,拉曼场的增强可以通过调整两个泵浦场的强度来实现。总之,因为我们的方案可以提高拉曼效率,所以这些工作在产生短波长相干辐射、频率转换和基于轨道角动量光的非线性光谱学等领域有着极大的研究和应用潜力。

关键词：超拉曼散射轨道角动量光拉盖尔-高斯光石墨烯