相干原子介质中非线性偏振动力学研究

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激光发明以来,非线性光学方面的研究引起了人们的极大关注并得到了十分广泛的应用。其中,光与物质相互作用过程中出现的各种非线性光学现象,是非线性光学最为重要的研究内容之一。长期以来,为了得到较强的非线性光学效应,人们主要研究强激光场与介质的非共振相互作用,即强光非线性光学。近年来,电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)的发现和深入研究为共振介质中实现弱光条件下的强非线性光学效应(即弱光非线性光学)提供了可能。特别地,EIT技术给人们研究量子光学、精密测量、弱光非线性等效应提供了十分有利的平台。所谓EIT是利用外加控制光场所诱导的量子干涉效应消除共振介质对探测光场的吸收。除此之外,EIT还可使介质的非线性光学极化率显著增强,使其色散性质发生重大改变,从而导致很强的非线性光学效应并使探测光场的群速度大为减慢。近几年,关于EIT介质的弱光非线性光学效应研究已经陆续展开(例如:EIT介质的瞬态光学响应特性、利用EIT实现高效多波混频、EIT介质中超慢弱光孤子的研究等),但对EIT介质中探测光场的偏振动力学还研究得较少或不够深入,有关物理问题及相关理论还需进一步探索和完善。本文中,我们从光学Bloch方程和Maxwell方程出发,利用多重尺度理论和数值模拟方法对相干原子介质中弱光的偏振动力学进行了深入的研究。本文的工作主要包括以下几个方面:(1)探讨了如何在五能级M型EIT介质中得到描写探测光脉冲内不同偏振分量和不同频率分量(属于不同边带)的耦合方程组;(2)当探测光场的脉冲宽度较长时,耦合方程中的色散项可以忽略。该条件下,可引入斯托克斯参量,并利用庞加莱球方法分析探测光场不同偏振分量的演化动力学;(3)探讨了弱光条件下,探测光场的偏振不稳定性及偏振自陷态(polarization self-trapped states)产生的条件,讨论了偏振不稳定性的可能应用――偏振旋转器;(4)当探测光场的脉冲宽度较长时,脉冲内不同偏振方向和不同频率的四个分量可以发生四波混频,相互交换能量;当探测光场的脉冲宽度较短时,耦合方程中的色散项必须保留。该条件下,探测光场有可能形成全新的四分量超慢弱光孤子(four-component weak-light ultraslow solitons)。相干原子介质中弱光的偏振动力学研究不仅对弱光非线性光学基本理论的发展与完善具有一定的意义,而且对弱光非线性光学器件的研制和光信息处理和传输等方面的应用具有一定的价值。
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