本文研究了倒Y型四能级系统中自发辐射诱导相干对探测场的色散和吸收特性的影响。在稳态条件下利用密度矩阵微扰理论推导出了密度矩阵的迭代解。数值分析了自发辐射诱导相干对线性和非线性折射率和吸收系数的影响, 分析了泵浦场和耦合场偏离双光子共振对弱探测场色散和吸收特性的影响。研究发现自发辐射诱导相干使弱探测光的线性和非线性折射率增强, 同时形成一个较宽的透明窗。在没有自发辐射诱导相干的情况下, 泵浦场和耦合场偏离双光子共振对探测场的线性和非线性折射率影响明显, 在有自发辐射诱导相干的情况下, 泵浦场和耦合场偏离双光子共振使得探测场的线性透明窗变窄, 非线性吸收增加。

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。

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。

研究了在较强光低饱和限制下相干光场与N型四能级原子相互作用系统中原子的吸收性质。借助于数值计算,讨论了较强光失谐、探针光强、激发能级向低能级衰减的分配系数对原子吸收的影响。结果表明,抽运场失谐使原子吸收发生横向变化,信号场失谐使原子吸收发生纵向变化;探针光强影响非线性吸收,并通过它影响原子吸收,当探针光强远小于抽运和信号光强时,原子吸收与线性吸收一致,均表现为电磁感应透明特征,当信号光强增大,非线性吸收产生了增益,原子吸收也由透明变为增益;激发能级同时向两个低能级衰减,当对应探针光的原子衰减通道的衰减分配系数趋近零时,原子吸收随该系数变化非常强烈,当该分配系数等于零时,其增益在探针场共振处趋于无穷大。

双场作用下的Λ－型三能级系统是研究电磁诱导透明(EIT)的基本模型，在此基础上，引入强微波驱动场作用于该系统的激发态能级与另一激发态能级间，就构成了三场作用下的级联准Λ－型四能级系统。通过求解系统的密度矩阵方程，分别研究了耦合场和微波驱动场对系统吸收特性的影响。在耦合场和微波驱动场共同作用下，系统的探测吸收谱呈现为Autler－Townes双峰与EIT的叠加，可以用缀饰态理论对此做出合理解释。研究结果表明，Autler－Townes双吸收峰来自于强微波场与系统的相互作用，EIT来源于耦合场与系统的量子相干相互作用。

提出了开放的四能级双驱动场无反转激光系统的理论模型，由电偶极和旋转波近似得到其密度矩阵方程，在共振条件下，讨论无反转激光产生的物理机制，求得定态共振线性解析解，利用数值计算结果分析了能级间的自发衰减速率、非相干泵浦速率、粒子注入速率和粒子退出速率对系统无反转激光增益和粒子数差的影响，讨论了线性和非线性增益和粒子数差的差别。结果表明：适当的自发衰减速率、调节非相干泵浦速率、粒子注入速率和粒子退出速率可获得无粒子数反转激光；线性和非线性的增益和粒子数差随驱动场Rabi频率的变化趋势一样，增益的线性稳定值大于非线性稳定值。

从四能级系统的速率方程出发, 结合实际的物理条件, 针对极短脉冲(10 ns)泵浦下增益开关型激光器的时间特性建立了一个简洁模型, 得到了输出脉冲的建立时间和脉冲宽度与泵浦能量及能量密度之间的解析关系式, 并结合实验分析了模型的合理性。

对一种有着单重态和三重态的典型的有机物的四能级系统的光学双稳进行了研究。由密度矩阵的速率方程近似推导出了光学双稳的状态方程。对单重态和三重态吸收或色散情况下的双稳情况用数值解的方法进行了讨论。文中分析了单重态和三重态的合作参数、原子失谐参数和腔失谐参数对双稳的影响。