多能级相干介质中古斯—汉欣位移的研究

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古斯-汉欣位移,又称为侧向位移,是光在介质分界面发生反射和折射时其出射光束重心在入射面内偏离入射光束重心的现象。根据菲涅尔公式,有限宽度光束的不同角谱分量具有不同的反射/透射率和反射/透射相位。因此,各分量相干叠加为出射光时将导致光束重心出现一定的侧向移动,其大小和方向与反射/透射相位随入射角的变化率有关。古斯-汉欣位移与介质的光学性质、器件的结构密切相关,微小位移、折射率变化、温度变化等都会引起光束侧向位移较大的变化。因此,古斯-汉欣位移在光学传感、精密测量方面具有潜在的应用价值。多能级原子系统与光场相互作用导致的量子相干效应可以有效地改变介质的光学性质,如吸收、折射率、非线性等。近年来,人们利用量子相干效应实现了古斯-汉欣位移的灵活调控。在相干介质中,除了光场强度,光场的相位对介质的吸收和色散也有显著影响。本文针对两种原子相干介质中的古斯-汉欣位移进行研究,重点分析光场强度以及相位对光束侧向移动的相干控制。主要内容分两部分:(1)研究了光束入射到金刚石介质平板时的古斯-汉欣位移。在磁场的作用下,金刚石NV色心能级发生Zeeman分裂,以椭圆偏振光作为控制场,其两个圆偏振分量分别驱动磁子能级ms=±1和激发态之间的两个跃迁,弱探测场作用于基态ms=0和激发态之间的跃迁,而形成tripod型四能级原子系统。研究发现,探测光与介质平板共振时,反射和透射光束获得较大侧向移动。共振情况下,古斯-汉欣位移与介质吸收呈反关联的特性,而共振角与介质折射率具有相同的变化规律。基于量子相干效应,控制场Rabi频率、两个圆偏振分量的相位差、磁场强度都能够调节金刚石平板的复介电常数。因此,可以有效地控制古斯-汉欣位移的大小以及共振峰位置。在一定参数条件下,反射光的侧向位移能够获得极大增强。与普遍采用的两介质平板耦合相干原子的三明治结构相比,具有NV色心的金刚石平板更简单、紧凑,因此更容易设计新型光子器件,用于光束位移的相干控制。(2)基于双棱镜耦合五能级相干原子介质,提出一种相位调控古斯-汉欣位移的方案。在该原子系统中,四个强控制场耦合四个激发能级形成菱形闭合环结构,弱探测场作用在基态和闭合环之间。控制场的Rabi频率和相对相位影响介质对探测场的吸收和色散,以及双棱镜系统的反射/透射相位,因此可以控制光束的侧向位移。研究发现,反射光的侧向位移随系统参数的变化十分敏感,而透射光的侧向位移变化较小。当两棱镜构成的谐振腔达到共振时,古斯-汉欣位移达到最大。共振角和共振时侧向位移的大小对控制场的强度和相对相位十分敏感,因此可以方便地操纵光束的古斯-汉欣位移。相关结果对基于量子相干效应的新型光子器件的设计,如光束开关,有一定的指导意义。
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