里德堡(Rydberg)原子具有极大的极化率和电偶极矩, 并对外电场十分敏感, 因此可利用 Rydberg原子的量子干涉效应实现微波和太赫兹场的高精确度、自校准测量, 基于 Rydberg原子对太赫兹波频率上转换效应可实现太赫兹波段的实时成像。本文回顾了利用 Rydberg原子的电磁诱导透明效应和 Autler-Townes分裂现象实现对微波和太赫兹场的高精确度探测的研究进展, 以及 Rydberg原子在快速太赫兹成像方面的研究。

里德堡原子具有较大的电偶极矩，可以作为一种对微波场强具有高灵敏度的传感器。制备铯里德堡原子需要852 nm和509 nm单频窄线宽可调谐激光系统，目前的509 nm激光系统多为实验室用样机，稳定性和实用性较差。本文提出了一种结构稳定的猫眼式激光系统，该系统可实现200 mW，1018 nm和50 mW，852 nm单频激光输出，采用电流、压电调节方式实现激光波长调谐和频率锁定；将1018 nm激光作为种子源，激光经过窄线宽掺镱光纤放大器后将功率放大至5 W，之后进入光纤耦合式单通掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体进行倍频，实现了大于470 mW的509 nm激光输出。基于此激光系统实现了n＝67的里德堡原子制备，得到了线宽约为5 MHz的D态电磁诱导透明光谱，为后续构建量子微波场强测量装置提供了核心单元。

设计了一种具有电磁感应透明效应(EIT)的光频段全介质超材料, 其单元结构由垂直放置的倒L形介质块和水平放置的一字形介质块组成。根据米氏电磁谐振, 两个介质块的作用分别相当于亮态四极子模和暗态偶极子模。基于米氏亮暗模之间的电磁耦合, 在波长1 400 nm附近模拟实现了透射峰值超过0.9的低损耗EIT效应。利用数值仿真和“二粒子”模型深入分析了低损耗EIT效应产生的物理机制。研究结果表明, 透明窗的频谱位置与两个介质块的谐振频率失谐有关, 透明窗的凹陷深度与亮模的损耗有关, 透明窗的谐振强度和谐振宽度与两个介质块的耦合系数(距离)和暗模的损耗有关。提出的全介质超材料在慢光、非线性光学和光传感等方面具有潜在的应用价值。

本文提出了一种基于类电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）效应的太赫兹超材料折射率传感器。该器件结构单元由介质层和金属层构成，金属层是由四开口环和金属条组合的非对称结构。传感器透射谱产生了尖锐的透明峰，实现了类EIT 效应。仿真分析了该器件的传感性能，实现了Q 值为92.0、折射率灵敏度为61.0 GHz/RIU、品质因数（Figure of Merit，FOM）为8.5 的折射率传感功能，远优于对称结构的开口谐振环传感器。这种具有较高Q 值、较高灵敏度和偏振不相关性的太赫兹超材料传感器在无标记的化学、生物传感中具有潜在应用价值。

随着人工超材料对电磁诱导透明(EIT)现象的成功模拟, 超材料明暗模间的耦合机制引起了广泛关注。回顾了近年来在太赫兹(THz)波段基于人工超材料的明暗模耦合效应的相关研究进展, 包括平面结构EIT效应, 立体结构EIT效应, 明暗模垂直耦合电磁诱导吸收(EIA)效应, 以及表面波非对称激发。组成超材料的单元结构内部的模式耦合机制对超材料的远场近场响应具有决定性的作用, 其不同的耦合机制在光开关、慢光器件、光传感器、片上系统等的设计方面有重大的潜在应用价值。

设计了一种新型的基于金属表面等离子体激元(SPPs)的亚波长金属-绝缘体-金属(MIM)型类 电磁诱导透明(EIT)系统,该系统由一个直波导及其两边对称的齿形腔和纳米盘耦合而成。利用耦合模 式理论对结构进行分析,并通过时域有限差分方法(FDTD)进行数值模拟。当齿形腔和纳米盘的共振频率 相近,可以获得类EIT效应,改变齿形腔的长度和纳米盘的半径可以调节透明窗的位置。该装置可以用作高 性能的类EIT滤波器,透过率高达77.5%, 半高宽低至35.5 nm, 群指数高达65,为高度集成光网络提供了 一种新的方法,可应用于波长选择器、超快开关、光存储等设备。

构建双耦合场作用下的N-型四能级系统, 详细讨论系统的探测吸收特性随两个耦合场Rabi频率取不同值时的变化规律, 得到EIT、 Mollow和Autler-Townes双峰效应及其它们之间的相互转化规律。 通过找出N-型四能级系统中的多个跃迁通道, 将系统按跃迁通道拆分成多个子系统, 不同的拆分方法实现了不同跃迁通道之间的量子干涉, 从而使系统呈现出三种产生条件和物理本质不同的非线性效应。

对在掺杂稀土离子晶体中实现电磁感应光透明进行了实验研究。首先, 以Er3+∶YAG晶体为样品, 用旋转波近似下的密度矩阵方程理论计算了探测场的吸收特性随Er3+离子浓度的变化规律, 结果表明: 在探测场失谐Δp=0时, 形成了一个对于探测光透明的窗口, 从而在理论上论证了在掺杂稀土离子晶体中实现电磁感应光透明效应的可行性。设计了一个以Pr3+∶Y2SiO5晶体为样品的实验激发方案, 吸收光谱显示, 当温度为6 K时其在共振吸收峰处可形成一个完全透明的窗口, 实现了在掺杂离子晶体中的电磁感应光透明。实验还分析了工作温度、耦合场失谐对探测光透过率的影响, 结果显示: 当样品温度上升到15 K时, 透明窗口消失; 耦合场的失谐量越大, 透射率越小。

为了提高光信息处理元件的性能，实现高效率光信号的静止与存储，本文建立了由双向耦合场耦合的冷铷(87Rb)原子的四能级双Λ型能级机制，并对此机制在生成静态光信号时要求的高效性、持续时间，控制耦合场所需的操作条件以及对信号场强度的相位调制等进行了研究。首先，选取四能级双Λ型87Rb冷原子精细能级，用一对反向传播的行波激光场对能级进行近共振耦合，并沿耦合场方向输入一个正向弱光信号进行探测。接着，通过适当的绝热开启、关闭耦合场，存储光信号和生成高保真度静态光信号。然后，通过选取87Rb原子的不同精细能级结构，得出实现静态光所需满足的必要条件。最后，采用相位调制法对光信号进行处理。结果表明：生成的静态光信号具有高效性，过程持续时间约为80 μs；相位调制法可以周期调节静态光脉冲的强度。在此机制下生成的静态光信号满足高效性、易于全光调节和长时效性等要求。