电磁诱导双光子和三光子带隙的产生和控制

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以光和物质相互作用为基础的原子相干效应可以有效地改变介质的吸收、色散、自发辐射等光学特性,是近年量子光学和光物理领域的研究热点之一。基于激光建立的量子相干效应,我们可以精确地操纵原子系统的光学响应特性,产生电磁感应透明、光速减慢、静止光等一系列有趣的现象。最近几年来,为了实现对光信号更加高效灵活的控制,人们开始把这种空间上均匀的原子相干效应拓展到周期变化的情形,并在理论和实验上实现了一种全新动态诱导光子带隙结构。因此,本论文以电磁感应透明为背景,对驻波诱导的双光子和三光子带隙结构进行了研究。首先,我们研究了强相干行波场与驻波场共同耦合的四能级超冷原子系统的稳态光学效应,如图1所示。经理论计算发现,在特定参数下能产生几乎完美的双光子带隙结构,此带隙结构关于共振点对称,反射率超过95%,如图2所示。如果脉冲的频率落入禁带,脉冲将会被完全反射而禁止传播。然而若去掉驻波场的一个组分,两个禁带消失,那么光信号由于电磁感应透明会穿过介质。通过分析两个耦合场参数对带隙的影响发现,一方面随着两个耦合场的拉比频率逐渐变大,带隙的带宽逐渐变宽,但是反射带的反射率变化很小,两个禁带的位置逐渐远离共振点,并始终以共振频率为中心对称分布;另一方面随着两个耦合场的失谐的变化,两带隙的位置也随之发生变化。也就是说,带隙的反射率、宽度以及位置完全由两个耦合场决定。我们还进一步解释了双带隙形成的原因,在行波场和驻波场建立的两个EIT窗口之内,介质的折射率受到周期调制,探测光在传播过程中会经历多次Bragg反射;不同的Bragg反射分量在相互叠加时由于相位差为2π的整数倍而形成相长干涉,最终导致探测光被完全反射而不能在介质中传播。其次,我们研究了五能级系统中三光子带隙的相干调控问题。我们将动态诱导光子带隙的研究工作拓展到一个驻波场和两个行波场共同作用下的五能级冷原子系统中,如图3所示。利用传输矩阵方法分析介质的光学响应发现,特定参数下可以获得光学可调的三个光子带隙。我们重点讨论了耦合场各参数对带隙的影响进而确定了获得最佳带隙所需的条件。Ωc1的变化主要影响左侧带隙的结构;Ωc2和Ωs的变化主要影响两侧的带隙结构,而驻波场失谐则对中间带隙结构的好坏起决定性作用。通过选定适当的耦合场参数就可以建立高反射的三个光子带隙,如图4所示。通过改变耦合场各参数、原子密度还可以使三个带隙退化为两个或者一个带隙;另外,当关掉驻波场反向组分后,带隙结构不再存在了,三个强相干场抑制了介质对探测场在共振频率处的吸收,对应产生了三个透明窗口。这些都使我们在信息网络中可以更加灵活地控制光信号的传输过程。利用这种光学可调的双带隙及三带隙结构可同时操纵多个光信号,进而实现多通道全光路由。通过调节此路由器可以使其只反射或者透射特定频率的光信号,从大量杂散信号中筛选和过滤我们所需要的信号,将其改造成信号过滤器、频率选择器等。我们也希望这些带隙相干控制的新结论有益于新颖的光子装置的设计,如多通道全光开关、动态诱导光学微腔等。
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