固體材料中原子相干效應(yīng)的研究進展

王 榮,姜 云,范云飛,康智慧,王海華,高錦岳

(吉林大學 物理學院,吉林 長春 130023)

1 引 言

原子相干效應(yīng)是光與物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物,其實質(zhì)是利用相干光場使原子的不同能級之間發(fā)生關(guān)聯(lián),從而在原子的多通道躍遷中發(fā)生量子干涉。近 20年來,原子相干效應(yīng)一直是量子光學領(lǐng)域的研究熱點。原子相干效應(yīng)已經(jīng)導致了一系列重要的物理現(xiàn)象,例如相干粒子數(shù)捕獲[1,2],電磁感應(yīng)光透明[3～5],無反轉(zhuǎn)光放大[6～9],增強的非線性光學效應(yīng)[10]等等。特別地,研究者已經(jīng)利用原子相干效應(yīng)成功地實現(xiàn)了光速減慢和光信息的相干存儲[11～13],克服了光難以控制和定位的缺陷,有助于對光波上的編碼信息進行直接的操控和處理。最近,利用電磁感應(yīng)光透明,研究者又成功地實現(xiàn)了壓縮態(tài)光場和糾纏光子對的速度減慢和相干存儲[14～16],量子光場的相干操控在量子網(wǎng)絡(luò)、量子計算機和量子信息處理中有著重要的意義,將帶動相關(guān)領(lǐng)域研究的迅猛發(fā)展。

目前多數(shù)原子相干效應(yīng)的實驗研究都集中在原子氣體里,為了將這一技術(shù)在實際中有所應(yīng)用,在固體材料里進行相關(guān)的研究具有更大的應(yīng)用價值。固體材料明顯的優(yōu)點是良好的緊密性、高原子密度、無原子運動。然而,多數(shù)的固體材料中存在著眾多復雜的退相干機制,它們嚴重阻礙了原子相干效應(yīng)的實驗觀測。同時,一般的固體材料都有大的光學非均勻加寬,這也增加了原子相干實驗的難度。因此,需要選擇合適的固體材料進行原子相干效應(yīng)的實驗研究。鑒于固體材料中原子相干效應(yīng)的的重要性,國際上幾個研究小組已經(jīng)在紅寶石、NV色心、Pr3+∶Y2SiO5(Pr∶YSO)晶體和半導體量子阱等固體材料中開展了電磁感應(yīng)光透明的研究工作[17～20]。其中 Pr∶YSO晶體中的原子相干效應(yīng)的研究工作開展的最為廣泛,這是因為 Pr∶YSO晶體具有窄的光譜線寬、長的退相干時間和高的振子強度,可作為原子相干效應(yīng)研究的優(yōu)良實驗介質(zhì)。

本文具體介紹了近年來固體材料中原子相干效應(yīng)研究的進展[19,21～25],同時討論了該項研究在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。固體材料中原子相干效應(yīng)的開展必將加快其在量子信息、全光網(wǎng)絡(luò)和非線性光學等領(lǐng)域中的實用化進程。

2 電磁感應(yīng)光透明

電磁感應(yīng)光透明(EIT)是一種基本的原子相干效應(yīng),常用三能級Λ型原子系統(tǒng)來研究 EIT現(xiàn)象。EIT是利用一個強耦合光將探測場作用躍遷的一個能級與第三個輔助能級耦合起來,從而對探測場產(chǎn)生兩個受激吸收通道,這兩個躍遷通道之間的量子干涉效應(yīng)導致了探測場在雙光子共振處的極窄的透明并伴隨強烈的反常色散。大量的理論和實驗都已證明,EIT可以增強非線性系數(shù),提高混頻效率,實現(xiàn)慢光和光存儲等[10～13,26],進而在精密光譜、非線性光學、量子信息等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。美國學者 Harris首先提出了電磁感應(yīng)光透明的概念,并于 1991年以鍶為介質(zhì)利用強激光脈沖首次在實驗上觀察到 EIT現(xiàn)象[4]。1995年,Xiao Min采用消多普勒的方法,用低功率的半導體激光器在銣蒸汽中也成功地實現(xiàn)了 EIT[27]。近年來,隨著對 EIT現(xiàn)象研究的不斷深入,研究的對象由原子蒸汽介質(zhì)擴展到了固體介質(zhì)。對于實際應(yīng)用來講,固體材料更利于集成化和器件化,更具實際的價值,所以固體中的EIT對人們有著很大的吸引力。

圖1 Pr∶YSO晶體的能級圖[19]Fig.1 Energy level in solid Pr∶YSO[19]

1997年,Ham首先在 Pr∶YSO晶體中實驗研究了電磁感應(yīng)光透明現(xiàn)象[19]。Pr∶YSO晶體的尺寸是 3 mm ×6 mm×9 mm,其中 Pr離子的摻雜濃度為 0.05%。如圖1所示,選用的光學躍遷是3H4?1D2,對應(yīng)的躍遷波長是 605.7 nm。激光源是相干公司的 699環(huán)形染料激光器。通過聲光調(diào)制器分束和移頻光源,從而產(chǎn)生需要的各個光場。探測場ωp與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±1/2)共振,耦合場 ωc與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±1/2)共振,重新泵浦場 ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±3/2)共振。重新泵浦場的作用是在能級3H4(±1/2)和3H4(±3/2)上泵浦粒子,防止光譜燒孔效應(yīng)的發(fā)生。耦合場和探測場作用的能級形成三能級Λ型模型的 EIT系統(tǒng)。這 3個激光場只作用了一小部分 Pr離子,由于永久性的光譜燒孔效應(yīng),激光器的線寬決定了這個系統(tǒng)的有效光學非均勻加寬。因此,原子相干可以在比較低的光功率下建立。他們在耦合場的強度分別為 9、28、90以及 280 W/cm2,探測場強度為9 W/cm2,重新泵浦場強度為 16 W/cm2的情況下觀察了 EIT現(xiàn)象。由于強耦合場的作用,探測場中心頻率處的吸收減弱,透過率增加。如圖2所示,當耦合場的強度分別為 28、90以及280 W/cm2時,在探測場的零失諧處,觀察到探測場的透過率分別是 14%、36%和 65%。耦合場越強,探測場的透過率就越高。接著他們又在溫度為 5.5 K,耦合場強度分別為 90、280和900 W/cm2情況下觀察了 EIT現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)當耦合場的強度為 900 W/cm2時,探測場的透過率幾乎達到 100%,從而得到了比較理想的 EIT現(xiàn)象。當溫度升高的時候,由于聲子作用,自旋和光躍遷的失相率將增大,會導致 EIT現(xiàn)象減弱。

圖2 Pr∶YSO晶體中的電磁感應(yīng)光透明現(xiàn)象[19]Fig.2 EIT in solid Pr∶YSO[19]

除了 Pr∶YSO晶體,研究者們還在其它的固體材料中觀察到了 EIT現(xiàn)象。1997年,Zhao等人在紅寶石中利用微波場作為相干場研究了 EIT現(xiàn)象,他們分別在V模型和梯模型系統(tǒng)中觀察到了EIT[17]。1999年,Wei等人在 NV色心中研究了射頻波段的 EIT[18]。2003年,Phillips等人在GaAs量子阱中也成功實現(xiàn)了 EIT[20]。

3 光速減慢和光存儲

光是信息的優(yōu)良載體,它具有傳播速度快和通訊波段寬的優(yōu)點,但同時光也具有難于定位和不易操控的缺點。在現(xiàn)代光學中,對光的相干控制已經(jīng)變得越來越重要。最近,利用 EIT的光脈沖速度減慢和可逆存儲已經(jīng)被理論上設(shè)計和實驗上演示[11～13]。這種相干控制是基于光和介質(zhì)之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)換。通過調(diào)制耦合光的強度,即可以控制 EIT窗口的寬度和介質(zhì)的色散,從而方便地改變探測光脈沖的群速度。絕熱地將耦合光強度減小為零,可使探測光群速度降低為零并以自旋相干的形式存儲于介質(zhì)中。一段時間之后,再絕熱地恢復耦合光強度,可將原子自旋相干轉(zhuǎn)化為光信號。1999年,Hau等人利用 EIT技術(shù)在超冷鈉原子中使光脈沖的群速度降至 17 m/s[26]。2001年,Liu等人在超冷的鈉原子中通過對相干光場的時間調(diào)制實現(xiàn)了光脈沖的存儲和釋放[15];同年,Phillips等人在銣原子蒸汽中觀察到了相似的光存儲和釋放[16]。

2002年,Turukhin等人首次研究了 Pr∶YSO晶體中基于 EIT的光速減慢與可逆存儲[21]。選用的晶體長度是 3 mm,Pr離子的摻雜濃度是0.05%。Pr離子的能級結(jié)構(gòu)如圖3所示。ωp、ωc和ωr分別為探測場、耦合場和重新泵浦場。探測場ωp與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±3/2)共振;耦合場ωc與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±3/2)共振;重新泵浦場ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±5/2)共振。耦合場和探測場作用的能級形成三能級Λ型的 EIT系統(tǒng)。

圖3 Pr∶YSO晶體的能級圖[21]Fig.3 Energy level in solid Pr∶YSO[21]

圖4 EIT導致的光脈沖群速度減慢Fig.4 Reduction of group velocity of light pulse induced by EIT

通過開啟 10 ms時間長度的耦合場和重新泵浦場,粒子數(shù)被制備到探測場對應(yīng)的下能級3H4(±3/2)能級上。再經(jīng)過 1 ms的間隔,開啟耦合場和探測場進入晶體。由于 EIT窗口中心伴隨著陡峭的反常色散,探測脈沖進入 EIT介質(zhì)后,其群速度會被減慢。圖4顯示了探測脈沖在不同失諧情況下的群速度減慢。圖中虛線對應(yīng)著不經(jīng)過晶體的探測脈沖的信號,實線對應(yīng)著經(jīng)過 EIT晶體探測脈沖信號。探測脈沖的延遲時間對雙光子失諧是非常敏感的,不同的失諧對應(yīng)著不同的探測脈沖延遲。通過測量輸入脈沖中心和慢光的中心,在共振頻率處得到了 100μs的最大時間延遲。慢光曲線前半部分的信號是快光成分,它是由于探測光與晶體沒有完全作用導致的,它在晶體內(nèi)以快光的速度傳播。在慢光的基礎(chǔ)上,通過控制耦合場的開啟和關(guān)斷,研究者們又研究了光脈沖的存儲和釋放。實驗中輸入探測脈沖的周期是 50μs,耦合場、探測場和重新泵浦場的強度分別是 77、11和 60 W/cm2。當探測脈沖以慢光的形式在晶體內(nèi)部傳輸時,絕熱地關(guān)斷耦合場,探測光脈沖就會存入介質(zhì)內(nèi)部,轉(zhuǎn)化為基態(tài)能級之間的自旋相干。隨后開啟耦合場,原子自旋相干又轉(zhuǎn)化為光脈沖,實現(xiàn)存儲信息的釋放。

在光存儲期間通過施加反退位相脈沖,上述實驗的存儲時間達到了 300μs。2005年,Longdell等人在 Pr∶YSO晶體中報道了更長存儲時間的光存儲實驗[28]。他們通過動力學退相干控制技術(shù) (DDC)來抑制 Pr離子基態(tài)能級之間的退相干,增強了光信號在晶體內(nèi)部的存儲時間。實驗觀測到的最大存儲時間接近 10 s,這是目前報道的最長的 EIT光存儲時間。另外,在 Pr∶YSO晶體中的相似的基于 EIT的光脈沖存儲的實驗研究也有了報道[29～31]。

4 存儲光信息的可控制擦除

在光信息處理中,信息的存儲和擦除是兩個同等重要的操作。目前多數(shù)的實驗研究都集中在光存儲的研究上,例如,利用反退位相脈沖和動力學退相干控制技術(shù),研究者在 Pr∶YSO晶體中得到了長的存儲時間[21,28]。但是,關(guān)于存儲光信息擦除的研究工作幾乎沒有報道。在一些時間應(yīng)用中,信息的擦除也是非常重要的。例如,介質(zhì)記錄了一個錯誤或者沒有用的信息,人們就需要快速地擦除存儲的信息,才能進行下一步的操作,這就需要發(fā)展一種快速和可控制的擦除信息方法。

通過擦除脈沖破壞原子相干,Wang等人實驗研究了 Pr∶YSO晶體中存儲光信息的可控制性擦除[22]。圖5顯示了 Pr∶YSO晶體的能級圖。相關(guān)的光學躍遷是3H4→1D2,兩能級之間的躍遷波長是 605.977 nm。ωp、ωc、ωe和ωr分別為探測場、相干場、擦除場和重新泵浦場。探測場ωp與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±3/2)共振;相干場ωc與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±3/2)共振;擦除場ωe與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±1/2)共振;重新泵浦場ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±5/2)共振。

圖5 Pr∶YSO晶體的能級圖[22]Fig.5 Energy level in solid Pr∶YSO[22]

圖6 存儲光信息擦除的實驗演示Fig.6 Exper imental demonstration of eraser of stored light information

圖6 演示了減慢的探光測脈沖的存儲和擦除過程。當大部分的慢光脈沖在晶體內(nèi)部傳播時,絕熱地關(guān)斷相干場,探測光脈沖就會被存儲到晶體中。Peak-1是在相干場關(guān)斷以前就已經(jīng)離開晶體的探測脈沖部分,這部分光脈沖沒有經(jīng)歷存儲操作,通過晶體以后直接被探測器接受。Peak-2是經(jīng)歷了相干場的關(guān)斷與開啟被存儲和隨后釋放的探測脈沖部分。Peak-1和 Peak-2之間的間隔是 10μs的存儲時間。存儲的過程中,當關(guān)斷相干場的時候,會有原子相干在晶體內(nèi)部產(chǎn)生。正是這個產(chǎn)生的原子相干存儲了探測脈沖的幅度和位相信息。在 10μs的存儲時間內(nèi),一個擦除光脈沖施加到晶體上,作用于3H4(±1/2)?1D2(±1/2)躍遷。由于擦除脈沖的作用,產(chǎn)生的原子自旋相干會被部分破壞,這直接導致了存儲信息的擦除。圖6(b)演示了存儲光信息的擦除。由于擦除操作,存儲 10μs后釋放的探測光脈沖能量明顯減少。因此,通過施加擦除脈沖破壞存儲的原子相干,可實現(xiàn)存儲光信息的可控制性擦除。實驗中發(fā)現(xiàn)擦除效率取決于擦除脈沖的能量,與存儲時間無光。獲得的最大擦除效率是85%。

利用擦除光脈沖破壞原子相干,從而實現(xiàn)存儲光信息的可控制擦除,是一種光信息的全光操作手段,該項研究工作豐富和發(fā)展了光脈沖相干控制的技術(shù)和方法,加深了人們對光脈沖在相干介質(zhì)中傳播的動力學過程的認識,在信息處理和全光網(wǎng)絡(luò)中有著重要的應(yīng)用。

5 基于光存儲的全光路由

全光路由在未來的量子信息和全光網(wǎng)絡(luò)中是非常重要的,它可以避免光電和電光轉(zhuǎn)換,克服電子瓶頸的限制,從而保證大容量信息的有效轉(zhuǎn)換和傳輸。光信息的路由和波長分配有著很多實際的應(yīng)用,例如,它可用于不同波長通訊線之間的連接,在不同光波長之間實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和分配。目前的研究表明,利用原子相干效應(yīng)對光脈沖的相干調(diào)控可以實現(xiàn)光信息在不同波長之間轉(zhuǎn)換與分配的新型全光路由。

在 Pr∶YSO晶體中,Wang等人實驗研究了基于光存儲的新型全光路由[23]。圖 7顯示了Pr∶YSO晶體的能級圖。相關(guān)的光學躍遷是3H4?1D2,對應(yīng)的躍遷波長是 605.977 nm。ωp1、ωc1、ωc2和ωr分別為探測場、控制場 -1、控制場 -2和重新泵浦場。探測場ωp1與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±3/2)共振,相干場 ωc1與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±3/2)共振,相干場 ωc2與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±1/2)共振,重新泵浦場ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±5/2)共振。

圖8 基于光存儲的全光路由實驗演示Fig.8 Experiments of all-optical router based on stored light

在 EIT條件下,由于控制場的作用,探測光脈沖的群速度被減慢,圖8(a)顯示了 37μs的時間延遲。在獲得慢光的情況下,通過關(guān)斷和開啟控制場-1,可實現(xiàn)光信息的存儲和釋放。圖8(b)顯示了典型的 EIT光存儲實驗。Peak-1是在控制場關(guān)斷以前就離開了晶體的探測場部分,這部分光沒有經(jīng)過存儲操作。Peak-2是被存儲和隨后釋放的探測場部分。兩個峰之間的間隔是 10μs的存儲時間。由于在釋放過程中只有一個控制場ωc1開啟,存儲的信息以通道ωp1釋放,在通道ωp2上沒有觀察到光信號。圖8(c)顯示了基于光存儲的全光路由。在釋放的過程中兩個控制場同時開啟,存儲的光信息被分配進入兩個不同的光通道(ωp1和ωp2),從而實現(xiàn)了新型的全光路由。對比起始的光信號,釋放的ωp1,ωp2具有新的傳播方向和頻率。兩個釋放控制場的同時開啟確保了兩個光通道上信號的同時傳輸。

2004年,利用雙光子相干轉(zhuǎn)換,Ham在Pr∶YSO晶體中通過四波混頻過程實驗上研究了全光的量子路由[32]。2008年,利用 EIT導致的慢光效應(yīng),Ham又基于 Pr∶YSO晶體實驗報道了時間延遲的全光路由[33],這些全光路由的實驗研究對量子信息和全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著重要的意義。

圖7 Pr∶YSO晶體的能級圖[23]Fig.7 Energy level in solid Pr∶YSO[23]

6 雙光脈沖的速度減慢和可逆存儲

基于原子相干的光速減慢和信息存儲在量子信息領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的 EIT三能級只包含一個黑態(tài)極子,只能實現(xiàn)單通道光信息的相干控制。一個量子比特包含兩個基本態(tài),無法在三能級Λ系統(tǒng)中實現(xiàn)對其操控。因此,如何在單個原子系統(tǒng)中實現(xiàn)兩個或多通道光子信息的相干控制成為研究者關(guān)注的焦點。目前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在四能級 Tripod模型系統(tǒng)中包含雙黑態(tài)極子,可同時實現(xiàn)兩個光通道的群速度減慢和可逆存儲等相干控制[34,35]。利用在堿金屬蒸汽的 Tripod模型系統(tǒng),也在實驗上成功實現(xiàn)了雙 EIT窗口和加強的非線性光學作用[36～38]。

利用 Pr∶YSO晶體中的 Tripod系統(tǒng),Wang等人實驗研究雙光脈沖的速度減慢和可逆存儲[24]。

圖9 Pr∶YSO晶體的能級圖Fig.9 Energy level in solid Pr∶YSO

圖9 顯示了 Pr∶YSO晶體的能級結(jié)構(gòu)。Pr離子的摻雜濃度是 0.05%,相關(guān)的光學躍遷是3H4?1D2。Ωs1、Ωs2、Ωc分別為信號場 1、信號場 2和控制場。Pr離子有 3個激發(fā)態(tài)能級,相應(yīng)的光學躍遷是非均勻加寬的,因此晶體中有 3種離子具有 Tripod系統(tǒng)。1D2(±3/2)、1D2(±5/2)和1D2(±1/2)分別是 3種 Pr離子的激發(fā)態(tài) |e〉。

圖10 雙光脈沖的群速度減慢Fig.10 Reducation of group velocity of double light pulses

為了在基態(tài)上制備粒子,控制場首先開啟12 ms。由于光泵浦效應(yīng),粒子被制備到基態(tài)3H4(±3/2)和3H4(±5/2)能級上。圖10顯示了雙光脈沖的速度減慢,虛線對應(yīng)著輸入的兩個信號脈沖,兩個信號脈沖通過聲光調(diào)制器同時產(chǎn)生。在慢光的演示中,控制場比信號場先開啟 10μs。由于 Tripod系統(tǒng)中的雙黑態(tài)極子,兩個信號脈沖的群速度被減慢,都經(jīng)歷了大的時間延遲。在Tripod系統(tǒng)中,一個信號脈沖的群速度可以通過調(diào)節(jié)另一個信號場的強度來控制。通過仔細調(diào)節(jié)兩個信號場的強度,兩個信號脈沖獲得了基本相等的群速度。兩個信號經(jīng)歷的時間延遲是18μs,對應(yīng)的群速度vg≈167 m/s。因此,利用 Tripod系統(tǒng),在晶體內(nèi)部獲得了具有近似匹配群速度的雙光脈沖。

圖11 雙光脈沖的可逆存儲Fig.11 Stored light of double light pulses

根據(jù)光存儲的黑態(tài)極子理論,當減慢的信號脈沖在晶體內(nèi)部傳播時,通過關(guān)斷和開啟控制場可實現(xiàn)雙光脈沖的存儲和釋放。當控制場關(guān)斷以后,兩個信號脈沖轉(zhuǎn)換為基態(tài)的自旋激發(fā) (自旋相干),信號場的相干光學信息存儲于其中。當控制場重新開啟以后,自旋相干轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號光場,釋放的光信號以減慢的群速度在晶體內(nèi)部繼續(xù)傳播。圖11顯示了在 Tripod系統(tǒng)的晶體中雙光脈沖的同時存儲和釋放。Peak-1是控制場關(guān)斷以前就離開了晶體的信號場部分,這部分信號光沒有經(jīng)歷存儲操作。Peak-2是經(jīng)歷存儲和隨后釋放的信號光部分。Peak-1和 Peak-2之間的間隔是 10μs的存儲時間。釋放的 Peak-2保持了慢光的后半部分線型,減小的強度是由于自旋相干的失相。匹配群速度的雙光脈沖可以用來增強弱光脈沖之間的非線性作用時間,從而產(chǎn)生大的交叉相位調(diào)制。雙光脈沖速度減慢與相干存儲使實現(xiàn)光量子比特的相干操控成為可能,這些研究工作將在量子信息和量子通訊中有實際的應(yīng)用。

7 基于原子相干的增強四波混頻

原子相干導致的增強四波混頻過程是最近的研究熱點。研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用 EIT可增強非線性光學過程,并已經(jīng)成功地在實驗中觀測到基于EIT的增強四波混頻[39～41]。增強的非線性光學過程的關(guān)鍵是通過原子相干獲得大的非線性極化率。如果相干驅(qū)動的介質(zhì)被制備到最大原子相干的狀態(tài),人們可獲得最大的非線性極化率[42]。最近,基于最大原子相干的非線性過程已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注[43～46]。

圖12 Pr∶YSO晶體的能級圖Fig.12 Energy level in solid Pr∶YSO

利用相干粒子數(shù)回歸 (CPR)和部分受激拉曼絕熱過程 (F-STIRAP)制備最大原子相干,Wang等人在 Pr∶YSO晶體中實驗研究了增強的四波混頻[25]。圖12顯示了 Pr∶YSO晶體的能級圖。Ωp、Ω1、Ω2和Ωr分別為探測場、泵浦場、斯托克斯場合重新泵浦場。通過施加泵浦場和重新泵浦場,粒子數(shù)首先被制備到能級 |1〉上。對于 CPR和 FSTIRAP,都是用泵浦場和斯托克斯場在基態(tài)能級之間制備原子相干。對于 CPR,泵浦場是連續(xù)的,斯托克斯場是高斯脈沖形的 Ω2=Ω20exp[-(t-t0)2/(W/2)2]。當泵浦場和斯托克斯場作用時,起始在能級 |1〉上的粒子被轉(zhuǎn)移到能級 |2〉上,作用之后又回到能級 |1〉。當能級 |1〉和|2〉上的粒子數(shù)相等時,就建立了瞬時的最大原子相干。對于 F-STI RAP,泵浦場和斯托克斯場都是脈沖的,兩者有相同的時間后沿。當他們同時關(guān)斷的時候,最大原子相干在晶體內(nèi)部產(chǎn)生。對 CPR和 F-STIRAP,原子相干時間演化為ρ12=cosθ(t)sinθ(t),角 度 θ(t)由 tanθ(t)=Ω1(t)/Ω2(t)決定,因此原子相干由時間演化的拉比頻率決定。通過弱的探測場散射原子相干,可以產(chǎn)生一個有效的四波混頻信號。時間演化的原子相干決定了四波混頻信號的強度和線形。

圖13顯示了在不同的斯托克斯場強度下基于 CPR的增強四波混頻信號。當斯托克斯場強度等于泵浦場強度時,四波混頻信號呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu),如圖13(a)所示。在這種情況下,當斯托克斯脈沖達到峰值時,能級 |1〉和 |2〉上有相等的粒子數(shù)分布,此時瞬態(tài)的最大原子相干建立,原子相干呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的四波混頻信號也呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。當Ω20＜Ω1時,瞬態(tài)最大原子相干可在兩個不同的Ω20(t)=Ω1時刻建立。因此原子相干的時間演化呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的四波混頻信號也呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),如圖13(b)所示。當Ω20＜Ω1時,能級 |1〉上的粒子數(shù)總是多于能級 |2〉,得不到最大原子相干,原子相干總是單峰結(jié)構(gòu),并且強度比較弱。因而產(chǎn)生的四波混頻信號比較弱,且呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu),如圖13(c)所示。圖13(d)是理論曲線,與實驗結(jié)果基本一致。

圖13 基于 CPR的增強四波混頻Fig.13 Enhanced four-wave mixing based on CPR

圖14 顯示了基于 F-STIRAP的增強四波混頻。在進行實驗時,首先還是把粒子數(shù)制備到能級 |1〉上。圖14(a)反映了實驗中光場的脈沖序列情況。當泵浦場和斯托克斯場同時關(guān)斷的時候,最大原子相干在晶體內(nèi)部建立。建立的原子相干由于基態(tài)能級的退位相而慢慢減弱。通過一個弱探測脈沖散射原子相干,可產(chǎn)生有效的四波混頻信號。圖14(b)顯示了四波混頻信號的強度隨探測脈沖時間延遲的變化。最強的四波混頻信號出現(xiàn)在泵浦場和斯托克斯場同時關(guān)斷的時候,隨后強度慢慢變?nèi)?與理論分析基本一致。

圖14 基于 F-STIRAP的增強四波混頻Fig.14 Enhanced four-wave mixing based on F-STI RAP

時間演化的四波混頻信號有效地反映了原子相干的動力學過程,因而通過研究增強四波混頻信號可實現(xiàn)對晶體內(nèi)部原子相干動力學過程的監(jiān)測,該實驗研究將在非線性光學和激光光譜中有重要的應(yīng)用。

8 結(jié)束語

原子相干效應(yīng)導致了一系列重要的物理現(xiàn)象,它們在量子信息和全光網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛地應(yīng)用。目前主要的研究工作在原子氣體里開展,為了實際應(yīng)用,固體介質(zhì)應(yīng)該是首選的材料。通過選擇恰當?shù)墓ぷ鞑牧虾秃线m的實驗條件,研究者已經(jīng)開展了固體材料中原子相干效應(yīng)的實驗研究工作。

本文介紹了固體材料中原子相干效應(yīng)研究的最新進展。固體材料中電磁感應(yīng)光透明的研究工作,把原子相干效應(yīng)的工作介質(zhì)由原子氣體轉(zhuǎn)向了固體材料,為電磁感應(yīng)光透明及相關(guān)效應(yīng)的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。光速減慢和信息存儲的研究工作,發(fā)展了光脈沖在固體材料中傳播的動力學特性,有利于光脈沖相干控制的實際應(yīng)用。存儲光信息可控制擦除的研究工作,豐富和發(fā)展了光信息相干控制方法和手段,在光信息處理中有實際的應(yīng)用?；诠獯鎯Φ娜饴酚傻难芯抗ぷ?發(fā)展了一種光信息在不同波長之間轉(zhuǎn)換與分配的新型全光路由,在全光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。雙光脈沖速度減慢和相干存儲的研究工作,使實現(xiàn)光量子比特的相干控制成為可能,在量子信息和量子通訊領(lǐng)域有著重要的實際應(yīng)用價值?；谠酉喔傻脑鰪娝牟ɑ祛l的研究工作,探討了相干驅(qū)動固體介質(zhì)中光學非線性系數(shù)增強的物理過程,在激光光譜和非線性光學中有實際的應(yīng)用。

鑒于固體材料中的原子相干效應(yīng)的應(yīng)用前景,探索固體材料中的各種原子相干效應(yīng)的基本現(xiàn)象和物理規(guī)律是當代物理學家們的努力方向。固體材料中原子相干效應(yīng)的深入研究將在不同的光學領(lǐng)域引發(fā)深刻的變革,并將推動和加快其在相應(yīng)領(lǐng)域中的實用化進程。

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