光与原子相互作用中的量子现象

发布时间：2020-07-29 14:15

【摘要】：光与原子的相互作用是量子光学的热点研究方向,受到了人们的普遍重视。多波混频、Autler Townes(AT)分裂、电磁感应透明(EIT)是该领域最重要的几个量子相干现象。本文从理论和实验两个方面对上述几个现象的重要物理问题进行了研究,还介绍了超大光学厚度冷原子团装置以及Bose Einstein condensation(BEC)的二维光晶格装置的搭建。论文工作概况如下:第一,提出了一个方法,利用基于相位共轭六波混频Autler Townes光谱来探测级联型四能级多普勒展宽系统中的高激发态AT分裂双峰,在时域角度研究了多普勒展宽对六波混频谱的影响。第二,研究了耦合光共振时,~(87)Rb原子D1线Λ-型能级体系中,电磁感应透明吸收曲线的不对称现象,发现间隔为814 MHz的另一个激发态能级导致了此现象,在磁光阱俘获的冷原团中进行了实验,实验结果和理论预期符合的很好。第三,利用单光束光偶极阱束缚冷原子,制备了具有超大光学厚度的冷原子系统,峰值光学厚度可达3000。这个系统具有实现容易,原子团密度高,位置稳定等优点,是量子光学和非线性光学领域的理想实验平台。在这个系统中,进行了四波混频实验,发现斯托克斯光或反斯托克斯光的强度与实验条件的关系具有明显的阈值特性,这很可能是一种无翻转激光现象。第四,在混合阱BEC装置的基础上,成功搭建了二维光晶格系统,为下一步的三维光晶格以及后续量子模拟实验积累了丰富的经验。第五,用一束蓝失谐光场照射~(87)Rb原子BEC的波导,观察到原子团中心不膨胀的现象,通过分析实验结果推断,这是光场透过较‘脏’的真空腔壁时形成了无序散斑场进而导致了Anderson局域化现象。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O431.2
【图文】：

混频,多波,光谱,文献

光与原子相互作用中的量子现象波混频光谱等多波混频谱学的理论与实验研究[2-7]，它们属于高分辨率激光光谱学范畴。多波混频过程如图 1-1 所示，入射光束 n(n’)与原子相应能级跃迁| n > →| n-1 >共振，光束 2…n 的传播方向相同而与 1 相反，光束 n 和 n’的传播方向夹角很小，当满足相位匹配条件时，可以得到与光束 n’的传播方向几乎相反的信号光，也即 n+1 光子共振 2n 波混频信号。

能级图,三能级原子,能级图,探测光

光场在强色散处一般也对应着强吸收，这导致了应用的困难，EIT 的重要之处在于，色散增强的位置恰好处于探测光透明窗口区域。下面列举几个 EIT 效应的典型应用：实现光减速或停止，比如1995年Harris小组将光速降低至165 m/s[16]，2001 年 Kocharovskaya 等人[17]和 Phillips 等人[18]将光速停止；进行量子信息和存储，比如 2001 年 Lukin 等在铷蒸汽中进行了光存储[19]；提高非线性能量转换效率，比如 Jain 等人利用 EIT 使蓝光到紫外光的非线性转换效率达到 40 %[20]。典型的 Λ-三能级原子的电磁感应透明效应如图 1-2 所示，通常能级| 0 和| 1 >为基态的两个超精细分裂能级，| 2 >为激发态能级，频率为 ωp的弱探测光作用于能级| 1 >和| 2 >之间，频率失谐为 Δ，频率为 ωc的强耦合光与| 0 >至| 2 >能级跃迁共振。在无耦合光情况，简化为二能级结果，当满足单光子共振条件时，探测光吸收率最大，如图 1-2(b)的虚线所示；在有耦合光情况，当满足双光子共振条件时，探测光吸收率几乎为零，如图 1-2(b)的实现所示，此时探测光能几乎完全的透过介质，即为电磁感应透明现象。

玻色爱因斯坦凝聚,相变,文献

1.4 玻色爱因斯坦凝聚态在稀薄气体中实现的玻色爱因斯坦凝聚态是 20 世纪末实验物理学最重要的成果之一。1925 年，受到印度物理学家玻色的启发[36]，爱因斯坦预言了[37]玻色气体在某个临界温度下会有宏观量级的粒子数布居到体系的基态上，这是一种完全的量子统计跃迁，而不是相互作用力导致的，后来将这种特殊的物态叫做玻色爱因斯坦凝聚态（Bose Einstein condensates，BEC）。如图 1-3 所示，从物质波的角度来看，温度越低，德布罗意波 λdB越长，当原子被冷却到 λdB可以与原子间距比拟时，原子波包开始重叠，直至变成一个不可区分的宏观物质波，从而构建了玻色爱因斯坦凝聚态。在凝聚态理论提出后的几十年内，因为实现条件的困难（一般密度体系的临界相变温度为 1 mK 量级，这是难以达到的），BEC 只存在于理论学家的脑海中。

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