简并二能级系统中的同时快慢光效应

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光波的群速度是指波的包络传播的速度,实际上就是光波实际前进的速度。随着现代科学技术的发展,群速度的减慢与加快得以实现(以下简称慢光与快光)。慢光可应用于光学延迟线技术、量子记忆、量子开关、射频光子学、量子计算机、全光信号处理等等的研究中,同时,慢光与快光介质还可以有效的提高干涉仪和陀螺仪的灵敏度。群速度的改变是基于传播介质的色散特性的改变,Sommerfeld和Brillouin从理论上指出,正常色散是材料对光波透明从而使得群速度减慢,反常色散即材料对光波的吸收导致群速度大于光在真空中的传播速度c,并且指出超光速这种现象不与相对论相矛盾。快光与慢光实验已经在很多材料中得以实现,如半导体材料、染料溶液、室温固体、光纤和原子介质等等。原子介质在快光与慢光研究中扮演着主要的角色,其主要特征之一是能够灵活改变实验参数来控制色散特性进而决定光脉冲的群速度,主要是基于光和原子的线性和非线性相互作用。原子相干是光与原子相互作用的重要的物理过程,它可以产生很多有趣的现象,如在人型三能级系统中,基于两个基态之间的双光子过程导致相干布局俘获和电磁诱导透明等等。对于三能级系统,如果行波场被驻波场替代,探针光的吸收情况从透明(EIT)变成强吸收(EIA),同时探针光被原子介质反射产生信号光,处于一种增益吸收的状态,这种现象也可以叫做电磁诱导光栅。  该论文通过分析和比较了各个简并能级的辐射效率之后,发现133Cs原子D1线的F8=4(→)Fe=3简并能级的辐射效率是最强的,即在实验中选用此能级。该实验在55℃的铯原子气室中研究了四波混频过程中连续探针光的色散和吸收特性,进而分析了脉冲探针光的群速度操控情况。实验中采用两束对打的耦合场形成驻波场,分别叫做前进耦合场和反射耦合场,探针场与前进耦合场同方向同角度的入射到原子介质中(耦合场强度远远大于探针场强度)并且对探针场进行观察,观察过程中探针场与前进耦合场的功率保持不变,唯一的变量是反射耦合场,其功率从零到与前进耦合场功率相同。当探针场为连续光时,观察到了探针光由电磁诱导透明(EIT)变成电磁诱导吸收(EIA),当探针场为高斯脉冲光时,观察到探针场的群速度由减光速变为超光速,同时,由于四波混频效应产生的信号光在连续光情况下一直为增益吸收的状态,所以在脉冲光情况下一直为超光速。经过测量并且计算可以得到探针光的群速度从0.00056c到-0.00046c的连续变化,产生的信号光的群速度最快为-0.00027c。最后,对相关的实验现象作了理论分析,为以后的光存储做了一定的铺垫。
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