在真空中传播的光子之间极难发生相互作用,光在传播中的这种特性,加上足够高的频率和大带宽,使得光信号成为远距离通信的首选媒介。然而,有时候信息的处理需要信号之间某种形式的相互作用,这种相互作用往往可以通过非线性光学处理来实现。上个世纪70年代,人们发现,光场可以在非线性光学介质中相互作用。但在相同光功率下,传统材料的非线性与单个光子的非线性相比可以忽略不计。因此,在降低光功率或脉冲能量的同时来实现非线性效应就成为一个长期的目标,这种极限下的研究被称为量子非线性光学。量子非线性光学的实现,可以改善经典非线性器件的性能,例如,能够实现快速节能的光学晶体管,从而避免生热。此外,由单光子控制的非线性开关可以实现光学量子信息处理、量子通信,以及其他依赖于非经典光场的产生和操纵的应用。产生单光子水平的光学非线性手段有很多种,例如:腔与单原子进行耦合、将光子映射到原子系综中、原子-原子相互作用等,这些系统表现出很强的光子-光子相互作用,具有许多独特的应用。本论文中,我们采取原子-原子相互作用系统,摈弃了光腔,通过利用里德堡原子之间强烈的长程相互作用来实现单个光子之间的强非线性效应。具体研究集中在第三和第四章中:在第三章中,我们研究了量子化的探测场在一维超冷里德堡原子样品中的传播特性。基于偶极阻塞效应,四能级结构原子的稳态电磁感应透明光谱表现出典型的单光子水平的非线性现象:未饱和之前,探测场透射率和光子关联依赖于探测场强度。一方面,调整两个经典控制场的单光子失谐,能够实现对非线性电磁感应透明的灵活操控。另一方面,改变拉比频率比例,还能观察到四能级原子系统到三能级梯形原子系统非线性电磁感应透明的转变。在第四章中,我们在典型的里德堡电磁感应透明系统中研究弱探测场在相互作用原子系统中的传播特性,重点关注基于偶极阻塞效应的探测场相位的合作光学非线性行为。通过与探测场透射率和光子关联作对比,发现相位的光学响应具有新特性:共振和Autler-Townes劈裂条件下相位对入射场强和初始光子关联不敏感,而在两者之间的频率范围内相位响应具有非线性特征,尤其在经典光频率处最显著。此外,提高主量子数和原子密度都会促进相位的非线性效应。综上,与探测场透射率和光子关联一样,相位可以作为合作光学非线性的另一个标识来刻画非线性现象,对里德堡电磁感应透明研究是一个有力的补充.