固体材料中原子相干效应的研究进展

原子相干效应是光与物质相互作用的结果,它导致了一系列重要的物理现象。目前原子相干的实验研究工作主要在原子气体中开展,而与之相比固体材料中的相关实验研究具有更实际的应用前景。本文系统介绍了近年来固体材料中原子相干效应的研究进展,主要涉及电磁感应光透明、光速减慢与相干存储、存储光信息的可控制擦除、基于光存储的全光路由、双光脉冲的速度减慢和可逆存储和基于原子相干的增强四波混频等基本内容,最后还讨论了其在相关领域的应用。     

原子相干性的研究进展

原子相干效应是相干电磁场与原子相互作用的产物,在量子光学领域有重要的研究价值.许多重要的物理现象都是由原子相干效应引起的.文章介绍了基于原子相干效应的电磁感应光透明、相干烧孔、双暗态、真空感应相干、部分受激拉曼绝热过程的光存储、光信息在不同通道之间的转换与擦除等现象的理论和实验研究,并简单介绍了它们的应用价值.     

利用光子回声技术对光的相干态进行存储的研究

具备有效存储和读取光的相干态的能力是实现连续变量量子信息存储的关键。本文研究了利用混合光子回声技术对光场的相干态进行存储和读取。光量子态被记录在原子系综的基态的两个相干能级中从而实现长时间的量子态存储。考虑到由于原子退相干的噪声效应,我们发现在目前可实现的技术条件下存储保真度仍然高于保真度阈值2/3。我们的研究为实现高效准确的基于量子回声技术的光量子态存储提供了一些切实可行的实践指导。     

掺铒光纤中亚稳态粒子振荡和慢光时间延迟关系研究

由于光纤慢光在实际中的应用价值引起广泛关注. 技术手段上利用相干布居振荡效应实现光速可控更具有优势. 本文主要介绍了利用相干布居振荡效应 (CPO) 实现掺铒光纤中的光速减慢传输, 通过改变掺杂浓度、光纤长度、入射信号光及抽运光功率等参量, 具体研究了亚稳态粒子振荡和时间延迟的关系. 研究结果表明: 选择高浓度光纤、增加光纤长度、关闭抽运光源, 选择适当强度的信号光可以有效地增大时间延迟. 关键词： 掺铒光纤 时间延迟 相干布居振荡 慢光     

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。     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

非线性光学效应与光速减慢

激光技术的发展为极限光速的测量和应用提供了有效工具。本文主要介绍了与光速减慢有关的非线性光学知识和光速减慢的实验原理及方法。光速减慢实验中用到的低温Na原子气在探测激光和耦合激光的共同作用下处于量子相干态———一种非线性极化状态 ,由于电磁感应透明效应 (EIT) ,探测光可以使介质的折射率改变并能透过Na原子气 ,使极限光速的测量和应用变为现实     

非线性光学效应与光速减慢

激光技术的发展为极限光速的测量和应用提供了有效工具。本主要介绍了与光速减慢有关的非线性光学知识和光速减慢的实验原理及方法。光速减慢实验中用到的低温Na原子气在探测激光和耦合激光的共同作用下处于量子相干态－－一种非线性极化状态,由于电磁感应透明效应（EIT）,探测光可以使介质的折射率改变并能透过Na原子气,使极限光速的测量和应用变为实现。     

利用蓝失谐激光诱导微型光学偶极阱中冷原子间的光助碰撞提高单原子制备概率

借助于微米尺度的远失谐光学偶极阱(FORT)中蓝失谐光的光助碰撞效应与反馈控制系统,文章在实验上实现了FORT中单个原子的高效制备.结合原子的势能曲线,分析了原子在红失谐光和蓝失谐光作用下的光助碰撞效应,并且在实验上得到红失谐光诱导下单原子的制备概率约50%,蓝失谐光诱导下单原子的制备概率约80%.通过反馈控制系统,当原子数目小于1时,反馈控制使磁场梯度减小以快速俘获原子,当原子数目大于1时,反馈控制开启蓝失谐光场,使得原子一个个逃逸出阱中,最终实现了FORT中单原子的制备概率约95%,为下一步偶极阱的二维扩展奠定了基础.通过HBT实验测量FORT中单原子发出光子的统计特性,得到二阶相干度g(2)(τ=0)=0.08.     

EIT介质中光场噪声特性研究

在原子相干效应条件下，场与原子之间的相干耦合过程不仅导致原子能态发生相干叠加，同时也会使与之作用场的光场特性发生变化。我们对电磁感应透明（EIT）介质中量子化光场的噪声谱特性进行了研究，实验和理论结果均表明，在光场与原子发生相干作用过程中，由于EIT过程的吸收减小，色散增强效应，导致作用场的位相噪声被转化为输出场的强度噪声，因而使输出场的强度噪声由三部分所决定，输入光场的强度噪声、位相噪声以及由原子而引入的额外噪声。并分析了噪声随探测光失谐、分析频率等的变化关系以及总噪声谱不对称的原因，实验与理论结果定性吻合。     

稀土掺杂固态量子存储研究进展

量子存储对量子信息网络的实现至关重要,是当前量子信息领域的研究前沿和热点.在实现量子存储的多种媒质中,稀土掺杂固体材料由于具有较长的光学相干时间和较宽的光学吸收带宽而备受研究人员的关注.本文将系统地介绍稀土掺杂固态量子存储在材料体系、存储协议、应用范围等方面的重要进展,着重从物理机理、实验方法和新近成果等方面,阐述基于原子频梳协议的稀土掺杂固态量子存储方案,并对该方案的未来发展做简要展望.     

Multiple frequency conversion via atomic spin coherence of storing a light pulse

We experimentally demonstrate multiple frequency conversion via atomic spin coherence of storing a light pulse in a doped solid.The essence of this multiple frequency conversion is four-wave mixing based on stored atomic spin coherence.Through electromagnetically induced transparency,an input probe pulse is stored into atomic spin coherence by modulating the intensity of the control field.By using two different control fields to interact with the coherently prepared medium,the stored atomic spin coherence can be transformed into three different information channels.Multiple frequency conversion is implemented efficiently by manipulating the spectra of the control fields to scatter atomic spin coherence.This multiple frequency conversion is expected to have potential applications in information processing and communication network.     

Bragg-matching characterization of atomic coherence gratings in an electromagnetically induced transparency solid with a confocal scheme

We studied the Bragg-matching characteristics of atomic coherence gratings recorded in a coherently driven solid based on electromagnetically induced transparency by using a confocal scheme. The results show that the atomic coherence grating is of the same holographic properties as a traditional thick volume holographic grating. Such Bragg-matching characteristics of atomic coherence gratings would lead to important potential applications in optical signal processing and memory based on quantum coherent media.     

Self-compression of high-intensity femtosecond optical pulses and spatiotemporal soliton generation

Self-compression of high-intensity femtosecond pulses has been observed in a number of atomic and molecular gases and solid bulk material. The evolution of the femtosecond pulse parameters during the self-compression has been studied under a variety of experimental conditions. Generation of spatiotemporal solitons has been achieved by the combined action of self-compression and self-focusing.     

Experimental system for research on ultracold atomic gases near superconducting microstructures

We describe an experimental system that integrates the techniques for producing ultracold atomic gases with the techniques for cooling solid bodies to cryogenic temperatures. Ultracold clouds of ⁸⁷Rb are prepared in a trap setup based on room-temperature coils and subsequently transported to a superconducting microstructure by means of optical tweezers. The superconducting microstructure generates a magnetic microtrap and is cooled by a helium-flow cryostat that can achieve temperatures down to 2 K. Both the room-temperature trap setup and the superconducting microtrap are installed in the same ultra-high-vacuum chamber. The presented system is well suited to create hybrid quantum systems by combining ultracold atomic gases and superconducting devices.     

低速分子离子在固体电子气中的散射与能量损失

利用量子力学中的电子分子散射理论，研究了低速双原子分子离子在固体电子气中的散射与能量损失，重点讨论了两离子之间的干扰效应对能量损失的影响。根据原子的ｉｎｄｅｐｅｎｄａｎｔ ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｍｏｄｅｌ（ＩＰＭ）势和变相法，确定了单原子离子的散射相移和阻止本领，并与非线性密度泛函理论的结果进行了比较。 关键词：     

Measurement of coherence dynamics based on coherent anti-Stokes Raman scattering

Nanosecond time-resolved evolution of coherence between two nondegenerate ground levels has been investigated in Rb atomic vapor. Using STIRAP and fractional STIRAP, a time-dependent coherence is prepared and indirectly monitored by the generated coherent Raman scattering signal proportional to the coherence. The experimental data fit very well with numerical simulations. This technique have potential applications in nonlinear process based on atomic coherence.     

用于干涉测量的短相干固体激光器光谱纵模特性

对固体激光器的光谱纵模特性与复相干度的关系进行了理论分析,推导出了在任意纵模数下的光程差与复相干度的关系式。通过比较窄谱宽激光器与谱宽较宽的测量用普通固体激光器在不同纵模数下的复相干度特性,发现固体激光器谱宽较宽,复相干度衰减较快,不同纵模数下的衰减速度和周期不同,纵模数越多复相干度震荡衰减越快,不会出现周期性的高相干区域。根据理论分析搭建了一台用于干涉测量的短相干多纵模固体激光器,并对其光谱纵模特性和相干长度进行了测量,实验结果与计算结果一致。     

Efficient solid state memories for quantum cryptography

Long distance quantum cryptography requires quantum repeaters which use quantum memories. The latter are designed to store and retrieve photon quantum states on demand. Although quantum memories have been demonstrated in atomic vapors and ultra cold gases, a solid state alternative may better fulfill quantum memories requirements. Rare earth based crystals, which exhibit long coherence lifetimes, are actively studied for this purpose. Memory efficiency, i.e. the probability to retrieve a photon after storage, should be close to unity for practical applications. This can be achieved in highly doped crystals. Although Pr-Pr interactions could be detrimental in this case, we show that in a 3% Pr³⁺ doped La₂(WO₄)₃ crystal ground state hyperfine coherence lifetime is still close to that measured at low Pr concentration. Since the latter determines the memory storage time, this result suggests that highly doped crystals may be useful for efficient quantum memories.