利用量子相干實現窄帶譜線及其應用

楊紅　劉捷　鄒旭　符運良

摘 要：窄帶譜線在生活、工業及醫療領域具有廣泛的應用，因此如何實現窄帶激光顯得尤為重要。我們建立兩個物理模型，利用量子相干實現了超窄的探測光譜，值得強調的是，譜線的寬度和頻率范圍是可控的，在應用中就更具靈活性。

關鍵詞：量子相干 窄帶譜線 應用

中圖分類號：TQ423 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0116-02

20世紀初隨著科技的發展微電子技術越來越成熟，芯片作為信息的主要傳輸通道，它的保密性并不十分理想。然而，利用量子相干性對光信息進行處理就具有很大的優越性。因為，信息的加載、傳遞和接收需要載體之間相互作用，也就是光和原子之間要存在強烈的反應。相對于電子而言光子容易產生、傳播和接收，而且傳播速度快，光子之間不易發生相互作用，抗干擾能力強，相干性易于保持，可作為高效率的信息載體。因此，可以實現長距離量子網絡、量子計算機、光子中繼器等核心元件。

由量子相干性引起的一些新奇物理現象也具有廣泛的應用。例如，相干粒子數俘獲和轉移[1-2]，自發輻射相干[3]以及由量子相消干涉導致的電磁感應透明（Electromagnetically induced transparency，EIT）現象[4]等。其中EIT現象應用最為廣泛，其在透明窗口處抑制了探測光的吸收并伴隨陡峭的色散，因此可以實現無吸收高折射率的光傳播[5]、光速加快和減慢[6]以及無粒子數翻轉光放大[7]等。另外，調節相應的參數以及考慮一定的條件可得到窄的譜線，因此可被應用于精密測量[8]。

1 利用強偶合場控制實現窄帶的探測譜線

我們利用三個強偶合場、和控制一個弱探測場的傳播特性，如圖1（a）所示。相應的單光子失諧分別為，，和其中是能級到能級的躍遷頻率。令三個偶合場的失諧相等，即，并且具有相同的拉比頻率

，探測場。如圖1（b）所示，偶合場的失諧由零逐漸增大時，單透明窗口開始劈裂成兩個（虛點線所示），當失諧達到100 MHz（實線所示）時，也就是遠大于偶合場和探測場的強度，兩個透明窗口已經相當完美，兩個透明窗口之間夾著一條極窄的吸收譜線，約50KHz（插圖所示）低于自然線寬。如果關閉偶合場和，五能級退化成三能級，只有一個寬的透明窗口（虛線所示）。可見，通過控制偶合場強度和頻率范圍能夠在五能級原子模型系統中實現雙EIT，還可以得到極窄的探測譜線。

2 利用四波混頻共振實現窄帶的探測增益

在滿足四波混頻（FWM）共振的條件下，利用兩個強偶合場控制兩個弱探測場的傳播特性，同時考慮自發輻射相干（SGC）效應。如圖2（a）所示，四能級原子模型系統中兩個強偶合場拉比頻率為和，兩個弱探測場拉比頻率為和，單光子失諧為，，和，和為兩個激發態能級，基態和為足夠近的兩個能級，因此自發輻射躍遷通道和以及和，由于不可分辨必然導致相干，這就要求電偶極矩陣元和以及和是非正交的，即兩個電偶極矩陣元之間的夾角不等于90°，如圖2 （a）中虛線所示，在FWM共振的原子模型系統中可以實現對探測場的放大。而考慮SGC效應之后，增益的幅度被大大提高。如果降低偶合場的強度，增益幅度隨之降低但仍然可以得到較高的探測場增益，譜線的寬度卻明顯降低，如圖2（b）所示。可見，我們的模型系統可實現高增益窄帶寬的探測譜線。

3 窄帶譜線的重要應用

譜線并不是單色無限窄而是有一定的寬度，通常譜線的寬度定義為峰值下降到最大值一半時所對應的波長。寬帶譜線可接收更寬頻率范圍的信號，且保真度較高。而窄帶譜線可應用于無線對講機、窄帶濾波器、窄帶干涉濾光片等小頻率范圍內信號的傳遞接收等。值得強調的是，窄的譜線在現代工業中的起到至關重要的作用，利用窄帶吸收光譜掃描技術能夠精確的測量某一物體的體積、厚度等，并且可以透過狹窄的縫隙探測物體的位置及特性等。因此窄帶譜線的實現對提高現代工業化進程做出了很大的貢獻。除此另外，窄帶成像技術、濾波技術等在醫療上也得到了廣泛的應用，可用于診斷病情以及微創手術治療等。

4 結語

光的本質是原子躍遷輻射出能量，其頻率和原子能級之間的能量滿足關系式：。由于原子能級的超精細結構致使躍遷譜線不可能是單一頻率的，即有一定的寬度，自然線寬為兆赫茲量級屬于寬帶光譜。相比之下，激光因其單色性導致了很強的穿透性而被廣泛應用，但也不是絕對的單一頻率，所以實現窄帶譜線從而提高激光的強度是當前比較熱門的課題。我們建立兩個特殊的原子模型系統，考慮影響譜線寬度的因素，利用量子相干性實現了可控的超窄探測光譜。基于窄帶譜線的廣泛應用性，我們的工作也具有更大的意義。

參考文獻

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