电磁感应双光子带隙的产生和控制

基于电磁感应透明技术, 通过求解原子的密度矩阵方程和电磁场的传输矩阵方程, 研究了被行波场和驻波场共同耦合的一个四能级冷原子介质的稳态光学特性, 发现在特定参数下能够产生一个几乎完美的双光子带隙结构, 在这两个光子带隙对应的频率区域内反射率都均匀地超过95%. 通过改变耦合场的强度和频率, 可以方便地调节这两个光子带隙的位置和宽度. 这一双光子带隙结构可用来实现全光路由和全光开关, 有望在全光信息网络中获得应用.     

一维原子晶格中基于电磁感应透明的可调控光子带隙

利用电磁感应透明技术,在一维光晶格中相干驱动四能级N模型冷原子,实现动力学可调谐电磁感应光子带隙结构.在该原子系统中,光晶格中的原子密度呈高斯分布,使整个介质的密度在空间上呈周期性分布,导致探测场的折射率被空间调制,从而产生带隙结构.理论计算表明:基于两强耦合场的双暗态共振作用,探测场的吸收谱出现两个透明窗口;当满足Bragg条件时,探测场的三个不同频率区域内光子态密度减小,形成光子带隙结构.另外,改变两个耦合场的强度和失谐可以有效地调控光子带隙的宽度和位置.     

在双Lamder模型中实现可调控光子带隙

研究驻波场相干驱动下四能级双Lamder模型的电磁感应光子带隙.当耦合场是远共振或共振时,来自于两邻近能级间的自发辐射相干效应(SGC)有助于实现一个或两个光子带隙.当自发辐射相干效应不存在时,探测场被原子系统强烈吸收,因此导致光子带隙严重形变甚至无法形成.数值结果表明,光子带隙结构是由SGC效应导致探测场和耦合场之间的相干增强Kerr非线性调制而产生,并改变驻波场的耦合方式,使系统实现单光子带隙转变为双光子带隙的动态调控.     

光子晶体特性在EIT介质中的实验实现

基于原子相干效应,研究了在驻波场作用下原子介质的吸收和折射率的周期性调制所产生的周期性微结构特性及其操控。实验结果表明,在驻波场作用下原子介质存在与光子晶体同样的光子带隙特性,而且可通过调节形成驻波的两束光的频率差实现对其光子带隙位置的操控,实现了光子带隙20MHz的频率移动。     

原子晶格中基于自发辐射相干效应的光子带隙

利用电磁感应透明技术,在一维光晶格中相干驱动四能级Lambda模型冷原子系统,从而实现动力学可调谐电磁感应光子带隙结构。基于两邻近能级间的自发辐射相干(SGC)效应,通过控制耦合场从远共振到共振,使该原子系统实现从两个光子带隙转变为三个光子带隙的动态过程。当自发辐射相干效应不存在时,在探测场共振区域处探测光子被原子系统强烈吸收,因此感应光子带隙严重形变甚至无法形成。通过数值计算证明光子带隙结构的形成源自于自发辐射相干效应下探测场和耦合场之间的三阶交叉克尔(Kerr)非线性调制,并且通过控制耦合场的耦合方式,可以实现系统从两个光子带隙到三个光子带隙的动力学调控。     

在双Lamder模型中实现可调控光子带隙

研究驻波场相干驱动下四能级双Lamder模型的电磁感应光子带隙。当耦合场是远共振或共振时,来自于两邻近能级间的自发辐射相干效应(SGC)有助于实现一个或两个光子带隙。当自发辐射相干效应不存在时,探测场被原子系统强烈吸收,因此导致光子带隙严重形变甚至无法形成。数值结果表明,光子带隙结构是由SGC效应导致探测场和耦合场之间的相干增强Kerr非线性调制而产生,并改变驻波场的耦合方式,使系统实现单光子带隙转变为双光子带隙的动态调控。     

五能级87Rb原子系统中相干诱导的可调谐三光子带隙

研究了一个由两个同向驻波场和一个微波场相干驱动的五能级87 Rb原子系统,并在探测场共振频率处实现了可调谐三光子带隙。利用激光场与多能级原子系综相互作用的密度矩阵方程,结合光脉冲在具有空间周期性介质中的相干传输矩阵理论,推导出了描述相干原子系统稳态条件下的反射谱和透射谱。由数值模拟发现,通过改变驱动场的失谐和拉比频率可以动力学地调控光子带隙的位置和宽度,而且这种相干诱导三光子带隙能够同时操控三个不同中心频率光脉冲的传播。     

调控电磁感应透明气体折射率实现可控光子带隙结构

提出了电磁感应透明(EIT)介质的一个新的相干操纵应用：控制电磁感应透明气体折射率实现可控光子带隙结构. 将一定密度的EIT原子气体充入以砷化钾为背景的椭圆孔柱中，计算表明该三角晶格排列椭圆柱光子晶体的光子带隙随外控制场而变. 通过调控自发辐射率、无辐射衰变率、控制光Rabi频率、原子数密度等外参数以及椭圆结构几何参数，在高频率区域得到了大小约0.0503ω_e(ω_e=2πc/a)的完全光子带隙.     

一维冷原子晶格中相干诱导三光子带隙

基于电磁感应透明技术,将相干耦合的Tripod型原子俘获在一维光晶格中并使其呈高斯型分布,由于介质的折射率被一维光晶格周期性调制,从而实现动态调控的三光子带隙结构.通过求解光场与原子相互作用密度矩阵方程以及光波在周期性介质中散射的传输矩阵方程,计算出探测场在相干驱动介质中的稳态反射谱和透射谱.计算结果表明:光子带隙的位置、宽度以及反射率可以通过改变两个耦合场的失谐、强度和几何布拉格失谐来调谐.     

光子带隙材料及亚波长微结构材料中等离子体共振导致的量子相干效应

我们对两类光学材料-光子晶体及左手材料中的量子相干效应进行了理论研究。光子带隙材料通常是指人工制作的具有光子通带和禁带的光学材料，它可以用来控制光场的传输及某些微观过程。光子晶体是典型的光子带隙材料，光子晶体的周期性结构导致其中的原子的量子光学性质与自由空间中明显不同，例如出现光局域化与原子自发辐射的抑制、光子-原子束缚态、二能级原子布居数囚禁等现象。最近的研究还表明心，特殊的态密度分布会导致感应透明现象，使得原子对与其共振的探测光场的吸收趋于零。这与电磁感应透明（EIT）类似，但不需要外加耦合场来建立相干。我们系统地研究了光子晶体特殊态密度产生的量子相干效应，包括三能级系统的感应透明、无反转增益、光速减慢等，及四能级系统的自发辐射和光开关效应，发现强的量子相干效应导致原子辐射与吸收性质产生多方面的改变。     

冷原子介质中基于相干诱导高反射带和高透射带的全光路由控制

以相干诱导光子带隙结构为工作基础,提出了一种可对两个弱光信号的传播路径同时进行动态调控的新型全光路由控制方案。利用描述光波在空间周期介质中相干散射的传输矩阵理论,结合描述单频激光与多能级原子共振相互作用的密度矩阵方程,计算了作为控制媒介的相干驱动超冷原子系综的稳态反射光谱和稳态透射光谱。结果表明,通过改变两个较强相干激光的空间模式、强度和频率等参数,可在探测跃迁共振频率附近建立反射率约为95%或者透射率约为95%的两个特殊频带。对这样的相干诱导高反射带和高透射带进行了实时动态调控,可根据需要引导两个不同频率的弱光信号进入指定的网络通道。该方案很好地满足了在量子信息处理领域对弱光信号进行全光路由控制时的低损耗和低形变要求。     

Comparison of steady and transient optical responses between a four-level Tripod system and a three-level Lambda system

We study and compare the steady and transient optical responses of a four-level system and a three-level system, which are dressed by two and three laser fields, respectively. In the three-level system, a transmissivity window (a reflectivity platform) may be induced on the probe resonance by a traveling-wave (standing-wave) coupling field. In the four-level system, both transmissivity window and reflectivity platform are remarkably modified when a traveling-wave driving field is applied on two-photon resonance with the probe, but change little when the traveling-wave driving field is largely two-photon detuned. This implies that the four-level system can be safely treated as a three-level one in certain frequency regions of interest. Transient behaviors of atomic coherence on the probe resonance are also examined in both three-level and four-level systems to further confirm this conclusion. Our new findings are beneficial to achieve a novel all-optical routing scheme by simultaneously creating a transmissivity window and a reflectivity platform on a single resonance, and may also be used to simplify theoretical treatments in the situations where numerical calculations are complicated and intractable in the presence of at least one standing-wave field.     

基于自发辐射相干效应的可调光子带隙反射率的提高方法

光子带隙是指某一频率范围的波不能在周期变化的空间介质中传播,即这种结构本身存在“禁带”,并已成功地应用于滤波器、放大器和混频器等器件的设计中.此前,许多专家都致力于提高带隙的反射率,但其只能逐渐接近1.本文在囚禁于一维光晶格中的冷原子介质中实现两个可调光子带隙,并通过选择两基态为精细结构的三能级∧型原子系统,考虑自发辐射相干效应来探究这两个带隙的反射率.适当调节参数,探测场出现增益,从而获得较高反射率的带隙结构,甚至可以超过1.此外,两个带隙反射率还可以通过调节偶极矩之间的夹角以及非相干驱动场强度等参数来操控.     

Coherently induced grating in refractive index enhanced medium

We demonstrate a scheme for coherently induced grating based on a mixture of two three-level atomic species interacting with two standing-wave fields. As a result of interaction between the absorptive and amplified Raman resonances, the refractive index of the medium can be enhanced and modulated periodically. Then a sinusoidal grating, which can diffract the probe field into high-order directions, is coherently formed in the medium. The proposed scheme is theoretically investigated in a mixture of atomic isotopes of rubidium. The results show that the diffraction efficiency depends strongly on the two two-photon detunings of the two Raman transitions and the intensities of the two driving standing-wave fields.The proposed electromagnetically induced grating scheme may be applied to the all-optical switching and beam splitting in optical networking and communication.     

Proposal for all-optical controllable switch using dipole induced transparency (DIT)

We propose a novel all-optical controllable switch using photonic crystal cavity. For doing this work, the dipole induced transparency phenomenon realized through interaction of light with multilevel nanocrystals is used. Multilevel nanocrystals are doped to photonic crystal rods. Using the proposed structure and applying the control field, the absorbing medium converts to transparent one and switching operation is obtained. Analytical relation for evaluation of the proposed device considering quantum optical effects is presented and studied by investigation of effects of parameters on switching characteristics. We show that high quality all-optical switching operation can be obtained.     

Optical properties and electromagnetically induced grating in a hybrid semiconductor quantum dot-metallic nanorod system

An artificial molecule consisting of an SQD and an MNR embedded in 3D photonic crystal is proposed to realize EIG. Using the quantum mechanical density matrix approach, we have derived an expression of the absorption coefficient in the SQD in presence of MNR. Nanoparticle geometry can modify the local fields that determine SQD-MNP coupling and to engineer the hybrid optical response. The probe absorption is reduced via a strong coupling field, demonstrating spectral transparency window. It is worth noting that the background affects the relaxations of SQD. So, by making use of 3D photonic crystal as the background medium, reduced decay rate and consequently substantial local-field enhancement rate are provided. Based on EIT effect and a strong standing-wave field, diffraction grating is achievable. The first-order diffraction intensity can reach its maximum by tuning the system parameters. This model may be useful in designing new devices in all-optical communication.     

冷原子介质中基于相干诱导高反射带和高透射带的全光路由控制

以相干诱导光子带隙结构为工作基础,提出了一种可对两个弱光信号的传播路径同时进行动态调控的新型全光路由控制方案。利用描述光波在空间周期介质中相干散射的传输矩阵理论,结合描述单频激光与多能级原子共振相互作用的密度矩阵方程,计算了作为控制媒介的相干驱动超冷原子系综的稳态反射光谱和稳态透射光谱。结果表明,通过改变两个较强相干激光的空间模式、强度和频率等参数,可在探测跃迁共振频率附近建立反射率约为95%或者透射率约为95%的两个特殊频带。对这样的相干诱导高反射带和高透射带进行了实时动态调控,可根据需要引导两个不同频率的弱光信号进入指定的网络通道。该方案很好地满足了在量子信息处理领域对弱光信号进行全光路由控制时的低损耗和低形变要求。     

光子晶体在座舱罩雷达散射截面减缩中的应用

提出一种金属 介质型光子晶体薄膜，用传输矩阵法计算这种光子晶体薄膜的反射率和透射率。计算结果表明，这种光子晶体薄膜对毫米和厘米量级的微波的反射率高达99％以上；对于波长为微米量级的可见光，平均透光率为50％。分析了介质单元厚度、金属单元厚度、金属层总厚度对透射率的影响，给出这种光子晶体薄膜的材料选择和结构设计应遵循的原则。指出这种光子晶体薄膜涂镀在飞机座舱玻璃上，可以有效地减小座舱罩的雷达散射截面。