基于偶极阻塞效应的单光子水平电磁感应透明

对量子化的探测场在一维超冷里德伯原子样品中的传播特性进行研究。基于偶极阻塞效应,四能级原子的稳态电磁感应透明(EIT)光谱表现出典型的单光子水平的非线性现象:未饱和之前,探测场透射率和光子关联依赖于探测场强度。调整两个经典控制场的单光子失谐,能够实现对非线性EIT行为的灵活操控。通过改变拉比频率比例,可观察到四能级原子系统到三能级梯形原子系统的非线性EIT转变。     

里德伯原子中非厄米电磁诱导光栅引起的弱光孤子偏折及其操控

基于里德伯-电磁感应透明系统实现了具有宇称-时间对称的电磁感应诱导光栅,并研究了系统中探测光场在到达光栅前形成孤子的过程以及经过光栅时引起的偏折现象.发现由于里德伯-电磁感应透明系统具有很强的非线性光学效应,因此只需要很少的输入探测光能量就能形成稳定的光孤子.此外还发现,通过改变电磁感应诱导光栅的增益/损耗系数、光栅周期、以及体系的克尔非线性非局域度都可以有效地改变探测光孤子的偏折程度和状态,实现对弱光孤子偏折的主动操控.本文的研究结果可为未来利用宇称-时间对称的电磁感应诱导光栅实现全光控制和光信息处理等相关应用提供一定的理论依据.     

准Λ型四能级原子系统中的烧孔和光学双稳现象

研究了准Λ型四能级原子与两光场相互作用系统中的量子干涉效应.发现在弱探测场下系统驱动场拉比频率改变时,其色散曲线会呈现出烧孔现象,吸收增益曲线会出现全增益区以及宽而平坦的电磁感应透明窗口.另外,色散曲线随探测场拉比频率相位的演化会呈现出光学双稳态效应.     

腔增强热里德伯原子光谱

高精度里德伯原子光谱在研究里德伯原子间的相互作用、里德伯能级结构、电磁场的精密测量等方面具有重要的应用价值,里德伯原子光谱对比度、信噪比的提高和线宽的压窄是获得高灵敏测量的基础.本文通过理论和实验研究了腔增强的里德伯原子光谱,与自由空间的光谱相比实现了在光谱线宽不变情况下11.5倍的光谱对比度和信噪比的提高.其原因是在双光子共振处产生的电磁诱导透明和光泵浦效应会导致腔内原子对探测光吸收的减弱,提高了光学腔的阻抗匹配效率,从而使进入腔内的光强增大,因此提高了里德伯原子光谱的对比度和信噪比,提高的倍数取决于探测光穿过原子的透射率.预期通过优化铯原子温度,光谱的对比度和信噪比能够提高23倍.本工作为提高里德伯原子光谱的对比度和基于里德伯原子的精密测量灵敏度提供了参考.     

二维电磁感应光子带隙的动态生成与调控

研究了由两个垂直传播的强驻波激光场共同耦合的一个四能级Tripod型冷⁸⁷Rb原子介质的稳态光学响应特性. 结果发现, 当两驻波场满足双光失谐条件时, 可在这两驻波场的传播方向上同时获得反射率高达95%以上的电磁感应光子带隙结构; 通过适当调节强激光场, 还可实现一个方向为光子带隙而另一个方向为透明窗口或者两个方向均为透明窗口的结构. 并且光子带隙和透明窗口的频宽和位置是可调谐的. 这种全光控制的二维的信号光禁闭和导通机制可用于实现全光开关和全光路由, 有利于复杂的全光通讯网络的开发. 关键词： 相干诱导光子带隙 电磁感应透明 周期调制原子相干     

里德伯原子辅助光力系统的完美光力诱导透明及慢光效应

光力诱导透明是典型的量子相消干涉效应,在量子光学和量子信息处理当中具有广泛的应用.本文在里德伯原子系综镶嵌的复合光力学系统中考察了光力诱导透明现象以及由此产生的慢光效应.当考虑非旋转波近似的情况下,可以获得完美的光力诱导透明,即非常狭窄的理想透明窗口.在可分辨边带条件下,微腔品质越高,完美透明窗口中的慢光效应越明显.特别地,与其他原子相比,在实现超慢光方面里德伯原子的长寿命体现了其优越性.     

准A型四能级原子系统中的烧孔和光学双稳现象

研究了准A型四能级原子与两光场相互作用系统中的量子干涉效应．发现在弱探测场下系统驱动场拉比频率改变时，其色散曲线会呈现出烧孔现象，吸收增益曲线会出现全增益区以及宽而平坦的电磁感应透明窗口．另外，色散曲线随探测场拉比频率相位的演化会呈现出光学双稳态效应．     

Y型四能级原子系统对探测场的吸收和色散

运用数值模拟的方法计算了Y型四能级原子系统在弱场条件下对探测场的吸收和色散.结果发 现，通过调制能级间附加的外场强度，该系统呈现出电磁感应透明特性，出现增益区并伴有 较大负折射率的色散效应.同时还发现，当外加场的拉比频率相位发生改变时，系统对探测 光场的吸收和色散将随之变化. 关键词： 电磁感应透明 自发辐射 量子干涉     

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.     

超级里德伯原子间的稳态关联集体激发与量子纠缠

处于同一偶极阻塞区域的里德伯原子系综可以看作一个超级原子,如果它们被捕获在两个不同的光偶极阱中,那么每一个光偶极阱中的子原子系综可以看作为一个亚超级原子.由于这两个亚超级原子共享不超过一个激发的里德伯原子,所以它们会强烈地关联起来.本文研究这两个里德伯亚超级原子的稳态关联集体激发特性和量子纠缠行为.结果表明原子数目带来的影响非常明显:里德伯亚超级原子越大(包含原子数目越多),集体激发概率越大;最大纠缠只发生在等大的两个里德伯亚超级原子之间.通过增加原子数目,可以实现介观领域的量子纠缠,对量子-经典对应的研究以及量子信息处理有着重要的作用.     

Cooperative atom-light interaction in a blockaded Rydberg ensemble

By coupling a probe transition to a Rydberg state using electromagnetically induced transparency (EIT) we map the strong dipole-dipole interactions onto an optical field. We characterize the resulting cooperative optical nonlinearity as a function of probe strength and density. We demonstrate good quantitative agreement between the experiment and an N-atom cooperative model for N=3 atoms per blockade sphere and the n=60 Rydberg state. The measured linewidth of the EIT resonance places an upper limit on the dephasing rate of the blockade spheres of <110 kHz.     

调制激光场中Rydberg原子的电磁感应透明

本文主要研究了调制探测激光场中铯Rydberg 原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT) 效应. 铯原子基态6S_1/2, 第一激发态6P_3/2 和Rydberg 态形成阶梯型三能级系统, 探测光作用于6S_1/2 (F = 4)→6P_3/2(F' = 5) 的跃迁, 耦合光在Rydberg 跃迁线6P_3/2→49S_1/2 附近扫描, 形成Rydberg 原子EIT. 当对探测光频率施加一个几kHz 的调制时, 调制解调后的EIT 信号分裂为两个峰, 双峰间距与调制频率无关,而与调制幅度导致的失谐量大小(频率调制幅度) 成正比, 双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的λ_p/λ_c = 1.67 倍. 实验结果与理论计算相一致. 本文的研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测.     

49S里德堡态的射频双光子光谱

在室温铯原子蒸气池中, 由铯原子基态、激发态和里德堡态构建了阶梯型三能级系统, 研究了里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT). 在实现电磁感应透明的基础上, 利用16.9 GHz的射频电场耦合相邻的原子里德堡态, 实现49S_1/2→47D_3/2的双光子跃迁, 测量了里德堡原子的射频双光子光谱, 观察到了电磁感应透明光谱的分裂, 进一步研究了电场强度对射频双光子光谱的影响. 利用里德堡原子的EIT效应可实现对射频电场幅值和极化的精密测量, 具有潜在的应用前景.     

Rydberg原子的微波电磁感应透明-Autler-Townes光谱

主要研究了室温下微波场缀饰的铯Rydberg原子的电磁感应透明-Autler-Townes(EIT-AT)光谱.首先,以铯原子6S_(1/2)→6P_(3/2)→50S_(1/2)形成阶梯型三能级系统,利用强耦合光作用于6P_(3/2)→50S_(1/2)的Rydberg跃迁,弱探测光耦合基态跃迁6S_(1/2)→6P_(3/2)并探测由耦合光形成的电磁感应透明(EIT)效应.然后,以频率为30.582 GHz的微波电场耦合相邻的Rydberg能级50S_(1/2)→50P_(1/2)产生微波AT分裂.利用Rydberg EIT探测微波耦合相邻Rydberg能级产生的AT分裂,形成EIT-AT光谱,进而实现微波电场的测量.当微波场的强度增加到一定值时,EIT-AT光谱表现为多峰光谱结构.分析EIT-AT多峰光谱的成因,发现这主要是由场的不均匀性导致的,一定的EIT-AT光谱特征对应于特定的非均匀场分布.研究表明,利用Rydberg EIT-AT光谱可以实现微波电场的测量,利用其光谱特征可实现微波场的实时监测,进而提出了一种提高微波场空间分辨率的测量方法.     

利用平均场法计算里德堡原子的 偶极阻塞效应

利用平均场法计算了里德堡原子的偶极相互作用,分析了主量子数、拉比频率以及原子密度等对偶极阻塞效应的影响。随着主量子数以及原子密度的增大,原子间的相互作用增强,里德堡原子的偶极阻塞效应越明显;激光功率的增加,能提高里德堡原子的激发几率,但激发几率会趋于饱和,此时里德堡原子间的偶极阻塞效应最为显著。里德堡原子的偶极阻塞效应广泛应用于量子信息等领域。     

弱射频场中Rydberg原子的电磁感应透明

在铯原子室温蒸气池中研究了弱射频场中Rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2)、第一激发态6P_(3/2)和Rydberg 48D_(5/2)态形成阶梯型三能级系统,探测光共振作用于6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃迁,耦合光在Rydberg跃迁线6P_(3/2)(F′=5)→48D_(5/2)附近扫描,形成Rydberg原子EIT.当对铯原子施加一个80 MHz的弱射频电场时,48D_(5/2)Rydberg原子的EIT光谱发生Stark频移和分裂,同时产生由射频场调制Rydberg能级的偶数级边带,测量结果与Floquet理论模拟的结果相符合.同时,改变弱射频电场的频率研究了铯Rydberg能级的自电离效应对Rydberg原子Stark谱的影响,据此,我们提出将电极板置于铯原子蒸气池内的方案以减少自电离效应的影响.在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法.     

铯原子里德伯态精细结构测量

里德伯态光谱是测量里德伯态能级结构和中性原子间相互作用的常用技术手段,特别是高精度的里德伯光谱,可以测量室温原子气室中由偶极相互作用等导致的原子能级频移.在实验中利用反向的852 nm激光和509 nm激光实现了室温原子气室中铯原子6S_(1/2)—6P_(3/2)—57S(D)跃迁的级联双光子激发,实现了里德伯态原子的制备.基于阶梯型电磁诱导透明获得了铯原子里德伯态的高分辨光谱.实验中,基于速度选择的射频边带调制技术,对光谱信号进行了频率标定,测量了铯原子里德伯态57D_(3/2)和57D_(5/2)的精细分裂,分裂间隔为(354.7±2.5)MHz,与理论计算结果基本一致.速度选择的射频调制光谱可以实现里德伯态原子的能级分裂测量,其测量精度对于单光子跃迁的绝对激光频率不敏感;实验中影响57D_(3/2)和57D_(5/2)精细分裂间隔测量精度的主要因素是功率加宽导致的电磁感应透明信号的展宽和509 nm激光频率扫描的非线性.     

Frequency‐sensitive switching control effect induced by two‐photon resonance in an EIT‐based layered medium

The optical response of an atomic vapor can be coherently manipulated by tunable quantum interference occurring in atomic transition processes. A periodic layered medium whose unit cells consist of a dielectric and an EIT (electromagnetically induced transparency) atomic vapor is designed for light propagation manipulation. Such an EIT‐based periodic layered medium exhibits a flexible frequency‐sensitive optical response, where a very small change in probe frequency can lead to a drastic variation of reflectance and transmittance. As the destructive quantum interference relevant to two‐photon resonance arises in EIT atoms interacting with both control and probe fields, the controllable optical processes that depend sensitively on the external control field will take place in this EIT‐based periodic layered medium. Such a frequency‐sensitive and field‐controlled optical behavior of reflection and transmission in the EIT photonic crystal can be applicable to designs of new devices such as photonic switches, photonic logic gates and photonic transistors, where one laser field can be controlled by the other one, and would have potential applications in the areas of integrated optical circuits and other related techniques (e.g., all‐optical instrumentations).     

Monte Carlo simulations of electromagnetically induced transparency in a square lattice of Rydberg atoms

We study the steady optical response of a square lattice in which all trapped atoms are driven by a probe and a coupling fields into the ladder configuration of electromagnetically induced transparency(EIT). It turns out to be a manybody problem in the presence of van der Waals(vd W) interaction among atoms in the upmost Rydberg state, so Monte Carlo(MC) calculation based on density matrix equations have been done after introducing a sufficiently large cut-off radius. It is found that the absorption and dispersion of EIT spectra depends critically on a few key parameters like lattice dimension, unitary vd W shift, probe Rabi frequency, and coupling detuning. Through modulating these parameters, it is viable to change symmetries of the absorption and dispersion spectra and control on demand depth and position of the transparency window. Our MC calculation is expected to be instructive in understanding many-body quantum coherence effects and in manipulating non-equilibrium quantum phenomena by utilizing vd W interactions of Rydberg atoms.     

基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器

Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01-1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.