基于87Rb冷原子系统的量子相干过程

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电磁感应透明效应(electromagnetically induced transparency,EIT)是量子相干效应的典型代表。EIT透明窗口的色散曲线变化非常陡峭,这一特点在量子信息学和非线性光学中有着非常重要的应用,因此受到人们普遍重视,得到非常广泛的研究。  本文首先回顾EIT效应研究工作的发展历史,分析EIT效应和Aulter-Townes(AT)分裂的联系和区别,最后介绍在87Rb的冷原子系综中光脉冲的存储和释放。工作主要包括以下内容:  1)介绍激光冷却和陷俘中性原子的基本原理,搭建87Rb磁光阱装置。实验中采取吸收成像的方法来计算冷原子团的密度和原子数;通过获取原子团下落过程中短程自由飞行时间,进行数值拟合估测冷原子云的温度。光阱中冷原子数约为109,密度约为1010cm-3,温度约为200μK。该冷原子云可以作为合适的EIT介质,用于量子相干的研究。  2)利用赤池信息准则(Akaikes information criterion,AIC)的统计学方法,分别从探测光的吸收谱线和色散谱线两个角度区分EIT和AT分裂。我们从密度矩阵元出发,推导Λ型三能级系统的极化率,根据耦合场的不同强度作近似,得出吸收光谱和色散光谱的拟合方程,然后根据AIC的统计学方法计算EIT和AT分裂的权重,由此来区分这两种模式。研究发现,色散光谱的灵敏度和强度优于吸收光谱。  3)通过推导有效哈密顿量并分析衰减缀饰态动力学方程,讨论从AT分裂到EIT过渡的阈值。AT分裂和EIT分别属于不同的范畴,前者处于非微扰区,粒子布居数相干拉比振荡占主导地位;与之相对的,EIT处于微扰区,其共振区透明窗口可以解释为四波混频过程的增益。我们在87Rb的冷原子系综里同时测量了探测光的吸收谱线和色散谱线,通过光谱的傅里叶变换,可以清楚地区分AT分裂和EIT。  4)观察到基于EIT过程的光脉冲存储和释放。以87Rb冷原子云为介质,我们选择Λ型能级以及合适的探测光和耦合光偏振态,利用EIT的动力学过程,通过控制耦合光的关断和开启,实现了探测光脉冲信号的存储和释放。同时,我们还观察到热铷原子蒸气的光存储和释放信号,并将冷原子和热原子这两种介质的实验结果进行对比。  5)实现探测光和耦合光的光学锁相。为了延长量子退相干时间,我们需要选择87Rb的“钟态”原子能级存储和读取光信号,而且读光和写光需要光学锁相。边带注入锁定是实验中常用的技术方案,可以方便地让两台激光器以一定的频率差同步运转。垂直表面发射激光器(vertical cavity surface emittinglaser,VCSEL)的调制范围很宽,可达到87Rb基态能级间的频率差6.8GHz。我们利用VCSEL实现了主激光器和从激光器锁相,并得到10μs的EIT光存储信号,这为下一步基于Raman过程的光存储奠定了良好的基础。
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