利用量子相干實(shí)現(xiàn)窄帶譜線及其應(yīng)用

楊紅　劉捷　鄒旭　符運(yùn)良

摘 要：窄帶譜線在生活、工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，因此如何實(shí)現(xiàn)窄帶激光顯得尤為重要。我們建立兩個(gè)物理模型，利用量子相干實(shí)現(xiàn)了超窄的探測(cè)光譜，值得強(qiáng)調(diào)的是，譜線的寬度和頻率范圍是可控的，在應(yīng)用中就更具靈活性。

關(guān)鍵詞：量子相干 窄帶譜線 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0116-02

20世紀(jì)初隨著科技的發(fā)展微電子技術(shù)越來(lái)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(duì)光信息進(jìn)行處理就具有很大的優(yōu)越性。因?yàn)?，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(qiáng)烈的反應(yīng)。相對(duì)于電子而言光子容易產(chǎn)生、傳播和接收，而且傳播速度快，光子之間不易發(fā)生相互作用，抗干擾能力強(qiáng)，相干性易于保持，可作為高效率的信息載體。因此，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算機(jī)、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(xiàn)象也具有廣泛的應(yīng)用。例如，相干粒子數(shù)俘獲和轉(zhuǎn)移[1-2]，自發(fā)輻射相干[3]以及由量子相消干涉導(dǎo)致的電磁感應(yīng)透明（Electromagnetically induced transparency，EIT）現(xiàn)象[4]等。其中EIT現(xiàn)象應(yīng)用最為廣泛，其在透明窗口處抑制了探測(cè)光的吸收并伴隨陡峭的色散，因此可以實(shí)現(xiàn)無(wú)吸收高折射率的光傳播[5]、光速加快和減慢[6]以及無(wú)粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)光放大[7]等。另外，調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)以及考慮一定的條件可得到窄的譜線，因此可被應(yīng)用于精密測(cè)量[8]。

1 利用強(qiáng)偶合場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)窄帶的探測(cè)譜線

我們利用三個(gè)強(qiáng)偶合場(chǎng)、和控制一個(gè)弱探測(cè)場(chǎng)的傳播特性，如圖1（a）所示。相應(yīng)的單光子失諧分別為，，和其中是能級(jí)到能級(jí)的躍遷頻率。令三個(gè)偶合場(chǎng)的失諧相等，即，并且具有相同的拉比頻率

，探測(cè)場(chǎng)。如圖1（b）所示，偶合場(chǎng)的失諧由零逐漸增大時(shí)，單透明窗口開(kāi)始劈裂成兩個(gè)（虛點(diǎn)線所示），當(dāng)失諧達(dá)到100 MHz（實(shí)線所示）時(shí)，也就是遠(yuǎn)大于偶合場(chǎng)和探測(cè)場(chǎng)的強(qiáng)度，兩個(gè)透明窗口已經(jīng)相當(dāng)完美，兩個(gè)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(guān)閉偶合場(chǎng)和，五能級(jí)退化成三能級(jí)，只有一個(gè)寬的透明窗口（虛線所示）?？梢?jiàn)，通過(guò)控制偶合場(chǎng)強(qiáng)度和頻率范圍能夠在五能級(jí)原子模型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雙EIT，還可以得到極窄的探測(cè)譜線。

2 利用四波混頻共振實(shí)現(xiàn)窄帶的探測(cè)增益

在滿足四波混頻（FWM）共振的條件下，利用兩個(gè)強(qiáng)偶合場(chǎng)控制兩個(gè)弱探測(cè)場(chǎng)的傳播特性，同時(shí)考慮自發(fā)輻射相干（SGC）效應(yīng)。如圖2（a）所示，四能級(jí)原子模型系統(tǒng)中兩個(gè)強(qiáng)偶合場(chǎng)拉比頻率為和，兩個(gè)弱探測(cè)場(chǎng)拉比頻率為和，單光子失諧為，，和，和為兩個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)，基態(tài)和為足夠近的兩個(gè)能級(jí)，因此自發(fā)輻射躍遷通道和以及和，由于不可分辨必然導(dǎo)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(gè)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(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)場(chǎng)的放大。而考慮SGC效應(yīng)之后，增益的幅度被大大提高。如果降低偶合場(chǎng)的強(qiáng)度，增益幅度隨之降低但仍然可以得到較高的探測(cè)場(chǎng)增益，譜線的寬度卻明顯降低，如圖2（b）所示?？梢?jiàn)，我們的模型系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高增益窄帶寬的探測(cè)譜線。

3 窄帶譜線的重要應(yīng)用

譜線并不是單色無(wú)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(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。寬帶譜線可接收更寬頻率范圍的信號(hào)，且保真度較高。而窄帶譜線可應(yīng)用于無(wú)線對(duì)講機(jī)、窄帶濾波器、窄帶干涉濾光片等小頻率范圍內(nèi)信號(hào)的傳遞接收等。值得強(qiáng)調(diào)的是，窄的譜線在現(xiàn)代工業(yè)中的起到至關(guān)重要的作用，利用窄帶吸收光譜掃描技術(shù)能夠精確的測(cè)量某一物體的體積、厚度等，并且可以透過(guò)狹窄的縫隙探測(cè)物體的位置及特性等。因此窄帶譜線的實(shí)現(xiàn)對(duì)提高現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程做出了很大的貢獻(xiàn)。除此另外，窄帶成像技術(shù)、濾波技術(shù)等在醫(yī)療上也得到了廣泛的應(yīng)用，可用于診斷病情以及微創(chuàng)手術(shù)治療等。

4 結(jié)語(yǔ)

光的本質(zhì)是原子躍遷輻射出能量，其頻率和原子能級(jí)之間的能量滿足關(guān)系式：。由于原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)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(jí)屬于寬帶光譜。相比之下，激光因其單色性導(dǎo)致了很強(qiáng)的穿透性而被廣泛應(yīng)用，但也不是絕對(duì)的單一頻率，所以實(shí)現(xiàn)窄帶譜線從而提高激光的強(qiáng)度是當(dāng)前比較熱門(mén)的課題。我們建立兩個(gè)特殊的原子模型系統(tǒng)，考慮影響譜線寬度的因素，利用量子相干性實(shí)現(xiàn)了可控的超窄探測(cè)光譜?；谡瓗ёV線的廣泛應(yīng)用性，我們的工作也具有更大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Arimondo E.Orriols G.Non-absorbing atomic coherences by coherent two-photon transitions in a three-level optical pumping [J].Nuovo Cimento.Lett.，1976，17（10）： 333-338.

[2] Wang L， Song X L， Li A J， Wang H H， Wei X G， Kang Z H， Jiang Y， Gao J Y. Coherence transfer between atomic ground states by the technique of stimulated Raman adiabatic passage [J]. Opt. Lett. 2008，33（20） ：2380-2382.

[3] Wu J H， Li A J， Ding Y， Zhao Y Ch， Gao J Y. Control of spontaneous emission from a coherently driven four-level atom [J]. Physical Review A - Atomic， Molecular， and Optical Physics， 2005， 72（2）： 023802.

[4] Wu J. H.，Gao J.Y.Absorption properties of a driven Doppler-broadened ladder system with hyperfine structure [J].Chin.Phys.，2002，11（6）：572-1618.

[5] Scully M.O.，Zhu S.Y.Ultra-large index of refraction via quantum interference[J].Opt.Commn.，1992，87（3）：134-138.

[6] Zhang J.P.，Hernandez G.，Zhu Y.F.Copropagating superluminal and slow light manifested by electromagnetically assisted nonlinear optical processes[J].Opt.Lett. 2006，31（17）：2598-2600.

[7] Scully M.O.From lasers and masers to phaseonium and phasers [J]. Phys.Rep.，1992， 219（3-6）：191-201.

[8] Gawlik W.，Krzemień L.，Pustelny S.，et al.Nonlinear magneto-optical rotation with amplitude modulated light [J].Appl.phys.lett.，2006，88（13）：1108-1311.