Λ-型能级系统量子相干瞬态特性研究

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本文以量子力学及电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency-EIT)相关实验研究为基础,对作用场及原子能级体系进行综合分析,建立了∧-型三能级系统及准∧-型四能级系统模型。通过求解相应的密度矩阵方程,研究了EIT形成及单窗口EIT向双窗口EIT的转换过程,探讨了两种EIT系统的光开关特性,取得了创新性研究成果。值得指出的是,本文所进行的密度矩阵方程求解,未采用常用的微扰理论求解,所得结果适合于任意作用场情况。首先对双场作用下的∧-型三能级系统EIT瞬态特性进行了系统研究。该系统的瞬态探测吸收曲线表现为一种量子拍频衰减振荡形式。分别讨论了不同探测场频率处的瞬态吸收随耦合场和探测场Rabi频率的变化规律。从理论上证明了缀饰态章动信号频率只与探测场Rabi频率有关,而高频的拍频信号只与耦合场Rabi频率有关。随后研究了外加射频驱动场作用下的准∧-型四能级系统相干瞬态特性,通过求解系统的含时密度矩阵方程,研究了系统从单窗口EIT向双窗口EIT的转换过程。该过程亦表现为量子拍频衰减振荡形式,并利用缀饰态理论很好的解释了量子拍频的变化规律,指出这种量子拍频效应源于RF驱动场所引起劈裂能级间的量子相干。当探测场与相应的裸态跃迁能级共振时,拍频频率等于RF驱动场Rabi频率的二分之一;当探测场与强RF驱动场所导致的缀饰态能级跃迁共振时,拍频频率等于RF驱动场的Rabi频率。在上述研究的基础上,本文对上述两种∧-型系统的光开关特性进行了研究。结果表明,采用方波脉冲序列光学耦合场或RF驱动场,两种∧-型系统都可以实现对探测光波场的光开关作用;两者均有一定优势,∧-型三能级系统的光开关速度高于准∧-型四能级系统,而准∧-型四能级系统的开关深度明显大于∧-型三能级系统。两系统的光开关速度和开关深度会随着耦合场或RF驱动场Rabi频率的增大而增大。本工作可为光开关器件的实验研究提供理论参考。
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