基于简并二能级原子系统的电磁诱导增益 下载: 853次
1 引言
光诱导原子介质产生的相干干涉包括电磁诱导透明(EIT)[1-3]、电磁诱导吸收(EIA)[4-8]、相干布居俘获(CPT)[9-11]和无粒子数反转(LWI)[12-13]等物理现象,是当前的研究热点之一。特别是EIT介质对弱光的无吸收正常色散效应,可以大大减小光在介质中的传播速度,从而实现信息在光与介质之间的交换和存储,在量子信息存储领域有着潜在的应用价值。通过调制相干耦合光场的数量和方向,比如用对向入射的两束耦合场代替一束单向入射的耦合场,可以使介质的色散特性由正常转为反常,EIT变为EIA效应,这不但可以实现减光速向超光速的转变[14],同时还会产生Bragg反射[15]或四波混频效应[16-18]。研究发现,上述原子的相干干涉效应不但存在于Λ型或V型三能级原子结构中[19-20],还可以在基于Λ型或V型结构的简并二能级系统中得以实现。Akulshin等[21-22]在类简并二能级系统中,基于原子基态的塞曼子能级分裂,研究了光诱导相干现象并且观察到了EIT及EIA。Ye等[23]发现,在类简并的铷原子系统中,无论是封闭还是开放的跃迁,原子基态与激发态之间都可发生EIA现象。
近年来,基于LWI的电磁诱导增益(EIG)现象引起了学者们的研究兴趣。EIG是指在强的相干抽运场驱动下,弱探测场出现增益放大(即负吸收)的现象。在多普勒展宽的Λ型或V型三能级系统中,通过引入一束非相干抽运场,可实现EIT向EIG的转换[24-26]。而在基于原子腔耦合的系统中,仅凭单束相干抽运场,同样可以实现LWI[27-28];在引入两束相干抽运场的条件下,可实现内腔EIT的光放大[29]。基于双Λ型三能级系统,在单束相干抽运场驱动下,通过增大介质的粒子数密度和抽运强度,不但可以实现弱信号光的增益放大,还可产生相位共轭的Stokes或Anti-Stokes场,从而在远失谐条件下制备出大频差的关联光子对[30-31]。以上研究都是在三能级原子系统下进行的,Mukherjee等[32]则在分子系统中,基于N型简并结构,理论分析并实验研究了基于LWI的EIG效应,但该效应在原子系统中鲜有报道。
本文基于开放的N型简并二能级原子系统模型,理论分析了在单束相干抽运场作用下产生EIG的特点,并基于热的Cs原子介质,在基态和激发态角动量相同的条件下进行了实验验证。
2 理论模型及数值模拟
考虑
式中
式中
原子布居数的转移表示为
式中
系统的约化密度矩阵元方程为
式中
由于介质对探测光的L和R成分的作用效果相同,因此只计算
式中
因此,在不考虑原子无规则运动引起的多普勒展宽效应下,得到介质对左旋探测光的极化率[33]
式中
图 2. 不同抽运光拉比频率下信号光的透射谱
Fig. 2. Signal transmission spectra under different Rabi frequencies of pumping light
在实际的热原子气室中,考虑到原子运动引起的多普勒频移效应,(5)式中的
定义介质的多普勒展宽为
图 3. 在不同的多普勒宽度条件下,信号光的增益峰幅度随抽运光拉比频率的变化
Fig. 3. Gain peak amplitude of signal light versus Rabi frequency of pumping light under different Doppler widths
从
图 4. 不考虑多普勒频移(δD=0)时,不同抽运光拉比频率下的信号光增益谱。(a1) Ωp=0.70 MHz; (a2) Ωp=0.83 MHz; (a3) Ωp=0.94 MHz; (b1) Ωp=20 MHz; (b2) Ωp=7.06 MHz; (b3) Ωp=4.9 MHz
Fig. 4. Gain profiles of signal light under different Rabi frequencies of pumping light when Doppler shift (δD=0) is not considered. (a1) Ωp=0.70 MHz; (a2) Ωp=0.83 MHz; (a3) Ωp=0.94 MHz; (b1) Ωp=20 MHz; (b2) Ωp=7.06 MHz; (b3)Ωp=4.9 MHz
而当考虑原子的多普勒频移效应时,如
图 5. 考虑多普勒频移及展宽效应时信号光增益谱的线形变化。(a) Ωp=10 MHz;(b) Ωp=150 MHz
Fig. 5. Gain profile variation of signal light when Doppler shift and broadening effects are included. (a) Ωp=10 MHz; (b) Ωp=150 MHz
3 实验测量及结果
根据上述理论分析,选择133Cs原子D1线的超精细能级为研究对象,并分别选取基态62
经PD探测得到归一化的信号光透射谱,如
图 7. 当Ps=50 μW,Δp=0,T=95 ℃时,不同抽运光功率下测得的信号光增益峰幅度。(a) Pp=10 mW; (b) Pp=70 mW
Fig. 7. Experimentally measured gain peak amplitudes of signal light under different pumping powers when Ps=50 μW, Δp=0, and T=95 ℃. (a) Pp=10 mW; (b) Pp=70 mW
图 8. 信号光增益峰幅度随不同参量的变化趋势。(a)抽运功率;(b)温度
Fig. 8. Gain peak amplitude of signal light with different parameters. (a) Pumping power; (b) temperature
为了进一步验证
图 9. 信号光的偏振状态对增益峰幅度的影响
Fig. 9. Influence of signal light polarization state on gain peak amplitude
4 结论
理论上讨论了N型简并二能级原子系统中的EIG现象,分析比较了在不同多普勒频移的条件下,信号光增益随抽运强度的变化规律,同时比较了增益谱的线形分别在上升和下降区间的变化特点,得出以下结论。随着抽运光强度的增大,信号光的增益呈现先增大后减小的变化趋势,并且多普勒频移越大,信号光达到最大增益所需的抽运能量越大,同时绝对增益减小。在增益增大区间,增益谱线形一直保持窄线宽的单峰结构;而在减小区间,当抽运光的拉比频率增大至一定程度时,增益谱发生类拉比分裂,产生两个对称分布的增益峰。选择Cs原子的简并二能级跃迁系统,实验上观察到了EIG现象,并进一步比较了抽运强度、Cs泡温度及信号光偏振对增益峰值效率的影响。这些结论丰富了原子相干效应的研究内容,对进一步开展简并能级系统下孪生光束的制备及量子噪声特性的研究提供了理论和实验基础,并对开展基于N形原子-腔耦合系统的光放大特性、多波混频效应及多通道量子态操控等应用研究具有一定的参考价值。
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韩宇宏, 车少娜, 王丹, 周海涛. 基于简并二能级原子系统的电磁诱导增益[J]. 光学学报, 2018, 38(3): 0302001. Han Yuhong, Che Shaona, Wang Dan, Zhou Haitao. Electromagnetically Induced Gain Based on Degenerate Two-Level Atomic System[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(3): 0302001.