固體材料中原子相干效應(yīng)的研究進(jìn)展

王 榮,姜 云,范云飛,康智慧,王海華,高錦岳

(吉林大學(xué) 物理學(xué)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(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。原子相干效應(yīng)已經(jīng)導(dǎo)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(qiáng)的非線性光學(xué)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(diǎn)是良好的緊密性、高原子密度、無原子運(yùn)動。然而,多數(shù)的固體材料中存在著眾多復(fù)雜的退相干機(jī)制,它們嚴(yán)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(xué)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(jìn)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(dǎo)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(qiáng)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(jìn)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(xué)等領(lǐng)域中的實用化進(jìn)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(qiáng)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(dǎo)致了探測場在雙光子共振處的極窄的透明并伴隨強(qiáng)烈的反常色散。大量的理論和實驗都已證明,EIT可以增強(qiáng)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(jìn)而在精密光譜、非線性光學(xué)、量子信息等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。美國學(xué)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(qiáng)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(dǎo)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(kuò)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(xué)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(xué)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(qiáng)度分別為 9、28、90以及 280 W/cm2,探測場強(qiáng)度為9 W/cm2,重新泵浦場強(qiáng)度為 16 W/cm2的情況下觀察了 EIT現(xiàn)象。由于強(qiáng)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(dāng)耦合場的強(qiáng)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(qiáng),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(qiáng)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(dāng)耦合場的強(qiáng)度為 900 W/cm2時,探測場的透過率幾乎達(dá)到 100%,從而得到了比較理想的 EIT現(xiàn)象。當(dāng)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(dǎo)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(diǎn),但同時光也具有難于定位和不易操控的缺點(diǎn)。在現(xiàn)代光學(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)耦合光強(qiáng)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(qiáng)度分別是 77、11和 60 W/cm2。當(dāng)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(dá)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(xué)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(qiáng)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(xué)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(jìn)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(xué)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(xué)過程的認(rèn)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(xué)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(jìn)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(dǎo)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(diǎn)。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(qiáng)的非線性光學(xué)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(xué)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(xué)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(qiáng)度來控制。通過仔細(xì)調(diào)節(jié)兩個信號場的強(qiáng)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(dāng)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(dāng)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(xué)信息存儲于其中。當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)四波混頻

原子相干導(dǎo)致的增強(qiáng)四波混頻過程是最近的研究熱點(diǎn)。研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用 EIT可增強(qiáng)非線性光學(xué)過程,并已經(jīng)成功地在實驗中觀測到基于EIT的增強(qiáng)四波混頻[39～41]。增強(qiáng)的非線性光學(xué)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(qiáng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(qiáng)度和線形。

圖13顯示了在不同的斯托克斯場強(qiáng)度下基于 CPR的增強(qiáng)四波混頻信號。當(dāng)斯托克斯場強(qiáng)度等于泵浦場強(qiáng)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(dāng)斯托克斯脈沖達(dá)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(dāng)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)四波混頻。在進(jìn)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(dāng)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(qiáng)度隨探測脈沖時間延遲的變化。最強(qiáng)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(qiáng)度慢慢變?nèi)?與理論分析基本一致。

圖14 基于 F-STIRAP的增強(qiáng)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(xué)過程,因而通過研究增強(qiáng)四波混頻信號可實現(xiàn)對晶體內(nèi)部原子相干動力學(xué)過程的監(jiān)測,該實驗研究將在非線性光學(xué)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(dǎo)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(dāng)?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(jìn)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(xué)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?qiáng)四波混頻的研究工作,探討了相干驅(qū)動固體介質(zhì)中光學(xué)非線性系數(shù)增強(qiáng)的物理過程,在激光光譜和非線性光學(xué)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(dāng)代物理學(xué)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(xué)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(jìn)程。

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