基于手征原子媒质的光学时域隐身调控
0 引言
手征原子媒质的本质是通过原子能级之间的量子相干发生磁电耦合效应[1],使媒质产生手征性[2]。在原子媒质上施加强激光外场和弱探测光,在双光子共振的条件下产生量子干涉,使原子媒质具有可控的特殊电磁响应[3]。在多能级原子媒质中通过激光诱导磁偶极跃迁和电偶极跃迁之间的相干耦合,可实现类似于电磁感应透明[4,5]的量子相干效应。电磁耦合场实现跃迁,原本不透明的原子能级跃迁可以在共振频率下呈现窄带透明窗口[6],该窗口下原子媒质会引发相位突变和强色散,媒质的折射率也会发生剧烈变化,进而可以调控光在媒质中传播的群速。通过改变激光外场可以对磁电耦合的程度进行控制从而获得显著的手征性,而且还能够由此机制产生无需负磁导率的低损耗、可调控负折射率[7]。手征原子媒质内的传播模式是具有强极化偏转性的两个左右旋圆极化双折射波[8],其新颖的物理特性在诸多领域具有应用前景。
近年来,研究者们利用超构材料在空间隐身[9-11]的领域取得了显著进展,这也为时域隐身[12,13]的研究打开了新的思路。不同于通过实现媒质的可控电磁参数来控制电磁波传播路径的空间隐身,时域隐身或称事件隐身并不使光线偏离预期的空间轨迹,而是将光信号分成前导部分和尾随部分,来创造一个可以隐藏事件的隐身时域窗口。两束光信号均有不同的提前或滞后,无法到隐身时域窗口的内部与非辐射物质相互作用,使观测者无法观测到内部的事件。人们利用光学时间透镜在光纤中对时域隐身进行了研究[14,15],也基于多普勒展宽[16]和逆时域Talbot效应[17]等设计了时域隐身方案。BACHA B A等将电磁诱导手征原子媒质与时域隐身的思想相结合[18,19],电磁波经过电磁诱导手征媒质折射后分裂成两束输出时间不同的圆极化波,将实现一定宽度的隐身时域窗口;AHMAD H等研究了手征原子媒质中Goos-Hänchen位移光束的时域隐身现象[20]。利用手征原子媒质实现的光学时域隐身,可应用在电磁波的控制和通信安全领域如物联网技术中[21],在减少信息串扰的同时也防止信息的噪声破坏[22,23],因此提供了一种增加通信系统安全性的方案。本文依据手征原子媒质的原理,基于一种区别于其他时域隐身方案的特殊五能级结构原子系统,通过外光场调控原子媒质的手征性,进而操控隐身时域窗口的大小和位置。通过五能级手征原子媒质与外场参数相关的等效电磁响应参量计算双折射的群折射率,由此得到时域中的输出光脉冲,并讨论分析外场振幅和相位调制以及原子媒质相关参数影响下的时域隐身效应。
1 模型与理论计算
考虑五能级结构的原子媒质如
图 1. 磁电耦合手征原子媒质能级结构以及媒质所在腔与外场示意图
Fig. 1. Energy level structure of the chiral atomic medium with magnetoelectric cross coupling and the illustration of the cavity with external fields
由于能级
式中,
式中定义了原子的跃迁频率
对密度矩阵元进行旋转变量代换:
在各解中采用失谐量
可得到四个极化率的解,其中
式中,
对于
为处理运动方程的时间依赖性,定义
代入Schrodinger方程
式中,
式中,
取初始态为
因该子系统不包含probe场,因此这些密度矩阵元都相当于是在一阶微扰近似下的解,所以各矩阵元都可标识为
最后将上述结果代入总系统的解中求得密度矩阵元零阶解,进而求出各等效电磁参数。
磁电耦合手征原子媒质存在右旋和左旋圆极化波的传播模式,其折射率表达式包含上述等效电磁参数
在实际情况中,光信号是携带信息的脉冲序列,每个脉冲的传播可由群速及其群折射率描述。代入各参数并采用局域场修正,可得到手征原子媒质中两个圆极化波的群折射率为
为了研究通过磁电耦合原子媒质的输出脉冲,选择高斯形式的输入脉冲,在频域中的形式为
时域上的输出右/左旋圆极化脉冲的表达式为
表示输入脉冲经由含有上述手征原子媒质的传播路径后右旋和左旋圆极化波的输出场[21,23],其中d为磁电耦合原子媒质厚度,t为时间变量,c为真空中光速,左右旋圆极化脉冲强度分布由
2 数值计算与分析
如上所述,在手征原子媒质中,输入光束被分成具有不同折射率的左右圆极化双折射光束。其中一个折射率增加,光束速度降低,输出时间延迟,而另一个则下降,光束速度加快,输出时间提前。通过对手征原子媒质进行调控,调节前导光束和尾随光束的速度,以改变提前和延迟的输出时间,实现对光学时域隐身的时域窗口的良好控制。
设探测场的入射光波长
首先考察在耦合场
图 2. 耦合场 调制下的隐身时域窗口。蓝(红)色曲线对应左(右)旋圆极化波
Fig. 2. Temporal cloak window under the influence of coupling field . The blue(red)curves correspond to left(right)circularly polarized wave
耦合场
接下来考察控制场的影响。首先计算控制场振幅影响下光脉冲强度随时间的变化,如
图 3. 控制场振幅调制下的时域窗口。蓝(红)色曲线对应左(右)旋圆极化波
Fig. 3. Temporal cloak window under the influence of the amplitude of control field. The blue(red)curves correspond to left(right)circularly polarized wave
不同外场参数下的控制场振幅影响结果如
图 4. 控制场相位调制下的时域窗口。蓝(红)色曲线对应左(右)旋圆极化波
Fig. 4. Temporal cloak window under the influence of the phase of control field. The blue(red)curves correspond to left(right)circularly polarized wave
进一步考察耦合场
图 5. 耦合场 调制下的时域窗口。蓝(红)色曲线对应左(右)旋圆极化波
Fig. 5. Temporal cloak window under the influence of the coupling field . The blue(red)curves correspond to left(right)circularly polarized wave
耦合场
以上考察了光学时域隐身效应的手征原子媒质系统外场调控,最后考虑原子媒质的长度影响,如
图 6. 光脉冲强度随原子媒质长度的变化。蓝(红)色曲线对应左(右)旋圆极化波
Fig. 6. The variation of light pulse intensity with the length of chiral atomic medium. The blue(red)curves correspond to left(right)circularly polarized wave
3 结论
本文研究了基于磁电耦合手征原子媒质的光学时域隐身,给出了五能级手征原子媒质与光场参数相关的等效电磁响应参数的广义表达式,分析了输入高斯脉冲的强度和输出时间随控制场和耦合场以及原子媒质相关参数的变化。结果表明,输入脉冲通过五能级手征原子媒质产生左右旋圆极化脉冲,输出脉冲的强度变化依赖于外场的参量调控,输出时间具有不同程度的超前或滞后,在一定的参量范围内形成有效的隐身时域窗口。在有效时域窗口内,控制场振幅的变化会改变时域窗口的大小,但后者基本不随控制场相位改变;在一定的耦合场
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