本文研究了一个循环四能级原子系统中的增益相位光栅效应，基于微扰理论，用密度矩阵方法计算了稳态条件下信号场的极化率，分析了影响信号场衍射效率的相关因素。结果表明，在循环四能级原子介质中，合适的抽运场、调制场和耦合场共同作用，使得信号场产生增益。当光场失谐较小时，利用抽运场、调制场和耦合场可以调控信号场的振幅和相位，使信号场的能量放大，并将能量从零阶衍射方向转移到高阶衍射方向。当抽运场拉比频率约为1.67γ时，一阶衍射效率急剧增加，说明在调控过程中有阈值产生。该光栅在全光开关、全光调制、全光逻辑门等新型光子器件中具有重要的应用。

分别在冷原子和室温原子系统下对电磁感应光栅(EIG)效应进行了理论研究。研究结果表明, 冷原子和室温原子的一级衍射效率分别可以达到32.5%和30%, 这两个衍射效率都非常接近正弦相位光栅的理想衍射效率。在实际情况中,冷原子系统比室温原子系统更难制备, 系统更为庞大, 且对实验要求更高, 因此, 利用室温原子实现EIG更有优势。当信号光和探测光的功率极低时, 仍然可以产生EIG效应, 且其一级衍射效率接近于理论最大值,该结论可以用来实现弱光对弱光的调控。

在与三个场相互作用的Y型四能级原子系统中,利用密度矩阵方程计算了介质对探测场的吸收,分析了自发产生相干对探测吸收的影响。结果发现:随着自发产生相干的影响,在共振中心处,探测吸收表现出不同的现象。当自发产生相干对探测吸收产生相消干涉时,随着自发产生相干的增强,在共振中心处削弱吸收,出现增益。当自发产生相干对探测吸收产生相长干涉时,随着自发产生相干的增强,在共振中心处出现吸收增强,也即出现电磁诱导吸收(electromagnetically induced absorption,简称EIA),在共振两侧的双电磁感应透明强度(electromagnetically induced transparency,简称EIT)增强,窗口变宽。同时,在能级｜3〉→｜2〉与｜4〉→｜2〉的自发衰减速率比值不变下,当能级｜3〉→｜2〉与｜4〉→｜2〉的自发衰减速率减小时,在共振中心处,吸收线宽变窄,共振两侧的透明窗口变宽。

从理论上研究了四能级原子系统的自发辐射谱的性质，并讨论了原子各能级布居数随时间的演化情况。该四能级原子被一个相干探测场、一个耦合激光场和一个低频微波场驱动，其中两个上能级由低频微波场耦合。研究表明，通过控制低频微波场的位相和振幅，可以得到各种不同的光谱特征，如谱线变窄，谱线增强，谱线被抑制，完全荧光猝灭等现象。

当一个梯形四能级原子系统的中间两个能级分别与真空辐射场相互作用耦合到基态和激发态时,自发衰变路径间的量子干涉效应导致了V和Λ型的真空场诱导相干(VIC)。利用半经典理论,分别讨论了这两种类型的VIC对单光子和双光子电磁诱导透明的影响,并发现Λ型的真空场诱导相干增强双光子的吸收,而对单光子的吸收几乎无影响;V型的真空场诱导相干抑制单光子和双光子的吸收。

研究了在两个同频率驱动场作用下四能级原子的自发辐射性质。讨论了当两个驱动场间的位相差取不同值时,原子各能级布居数随时间的演化情况。发现对于不同相位差,可以使原子布居数的衰减速率加快或减慢,甚至完全抑制。

采用密度矩阵方程,在引入激光场线宽的条件下,计算了N型四能级原子系统中介质对探测场的吸收。结果表明：耦合场线宽的引入,消弱了四能级原子相干,对抑制吸收有增强作用,对增强吸收有抑制作用,即耦合场线宽的引入导致了退相干。控制场线宽的引入,在电磁感应透明中削弱了四能级原子相干性,降低了共振吸收,增强了光透明;在电磁感应吸收中,控制场线宽的增加使谱线中心两侧的吸收增强,削弱了谱线中心的吸收增强,从而使四能级系统的电磁感应吸收转换为电磁感应透明。

研究了依赖于时间的单模光场与N 型四能级原子的相互作用系统,分析了原子布居的时间演化特性.结果表明,由于受到时间脉冲的调制,原子粒子数布居最后会处于一个稳定的状态.

采用全量子理论，研究了M型四能级原子与三模场相互作用系统的动力学特性，通过数值计算，分析了光场失谐量、初始光子数和原子初始状态对原子布居概率和光子统计演化规律的影响。

对N型四能级原子与光场相互作用的原子相干效应进行了理论计算，讨论了能级衰减率、激光线宽以及基态间的驰豫对原子相干效应的影响。原子第四能级的衰减率、激光线宽以及基态间驰豫增大，原子相干性将会减弱。