电磁诱导透明机制下基于四波混频过程的光学参量放大动力学研究

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电磁诱导透明是一种相干激光与多能级原子共振相互作用产生的量子干涉效应,可以极大地抑制介质对信号光的吸收,通过调节控制光的强度可显著地改变介质的色散特性,进而实现对信号场的群速度操控。四波混频是一种三阶非线性参量过程,相较于传统四波混频,电磁诱导透明的出现为弱光条件下实现增强的相干四波混频提供了可行方案。电磁诱导透明可以在近共振频率处增强介质非线性,从而更容易实现包括四波混频在内的非线性过程,无需强控制场的驱动,这就为量子信息的处理提供了有利方案。本文在量子光学的半经典理论框架下,从理论上研究了电磁诱导透明机制下基于相干四波混频实现光学参量放大的脉冲传播动力学。电磁诱导透明能够在保证线性吸收被极大地抑制的基础上,增强系统的非线性效果;同时利用四波混频等非线性增益使信号光与闲频光的强度增大。之前的相关工作大多是对系统稳态的研究,因此对脉冲在介质内部的动力学过程的认识不够完善,结果不够精确。本文的亮点便是对四波混频过程的动力学进行探究,发现了一些有助于更好地调控四波混频过程的物理规律。我们首先考虑双色驱动的三能级Λ型原子系统,采用少量合理近似,通过数值求解麦克斯韦-刘维尔方程,精确地模拟了信号脉冲与闲频脉冲在介质中的传播动力学。结果发现,闲频光在介质中是随光学深度增大而逐渐产生的,并不是突然形成的;生成的闲频光很弱,其强度约为信号光的万分之一;闲频光和信号光分别以快光和慢光模式传播。信号脉冲的时域展宽与不包含四波混频情况的慢光几乎相同,而闲频脉冲则发生明显的展宽,且随光学深度增加,展宽迅速增加。在前面的研究基础上,为了更方便地调整光场与原子的耦合,进而增强四波混频效应,实现对信号光的放大,我们考虑四能级双Λ型系统。同样采用数值的方法来模拟信号脉冲与闲频脉冲在介质内部的动态演化过程。结果发现,闲频光是逐渐产生和放大的,两束脉冲的强度随着光学深度的增加而逐渐增大,相应的形变系数随泵浦光的增强逐渐趋于一致。要实现光放大需要足够大的泵浦光强度与光学深度。增大泵浦光强度和光学深度会使闲频光比信号光获得更大的增益速率。分析极化率得知,两束脉冲增大不同步的原因是四波混频中混有拉曼增益,使得信号脉冲的群速度色散增强,其波形随着光学深度的增大发生了越来越明显的展宽。
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