三能级原子-驻波腔耦合系统下腔透射谱的实验研究

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近几年,随着科学理论和实验技术的深入发展,基于原子非线性的腔-QED系统的研究进入了一个新的时期,国内外许多小组都做了大量卓有成效的工作,其研究内容和涉及范围也越来越广,一些实验方法及理论也延伸到研究固体半导体量子点材料中。其大致分为三个方面:首先,内腔EIT的深入拓展研究,比如内腔核子的EIT效应,基于大量原子腔-QED系统的无相互作用全光控制等;其次,是基于超高精细度光学微腔的应用研究,比如通过单原子与微光学腔的强耦合,实现了单原子轨道的精确测量等;另外一个比较热的研究领域就基于腔-QED系统的四波混频效应的研究。  在热原子与腔耦合系统的实验研究中,大多数是基于Λ型三能级原子与环形腔系统中进行的,因为在环形腔中,腔模场(探测光)与单次穿过原子介质的耦合场是同向传播,避免了多普勒效应。本论文主要的研究是基于驻波腔与三能级碱金属原子耦合系统中来完成。由于腔模场在腔内往复传播形成共振驻波,原子介质对与耦合场同向传播和反向传播时的极化特性不同,因此共振输出的腔透射谱也会表现出与在环形腔中不同的物理特性。理论上,我们考虑原子的多普勒效应,分析探针光与耦合光同向传播和对向传播时,原子介质表现出的极化特性,包括色散特性和吸收特性,以及透明效应和泵浦效应对驻波腔中的内腔EIT的影响;实验上,研究在铯原子与近共焦驻波腔耦合系统中,当耦合光频率分别在单光子共振(原子共振中心)和单光子失谐下,腔模探针场的透射谱的变化规律,从而得出在原子-驻波腔条件下产生内腔电磁诱导透明的物理条件。  为了获得高信噪比和高效率的腔透射谱信号,除了提高腔精细度的同时,还必须选择合适的铯原子气室,以保证腔模场与腔内原子共振产生的非线性效应,如真空拉比分裂和内腔电磁诱导透明效应能清晰地观察到。在实验中将通过对原子样品适当补偿磁场方法来减小基态原子之间碰撞带来的消相干,同时使用端面镀增透膜的原子气室来降低原子介质对光场的线性损耗等。当消相干得到有效的抑制时,原子相干效应导致的色散急剧增强,导致有效非线性作用增强,即可实现介质内部量子化光场的量子噪声的减小,优化信号场的量子特性,提高信号场对输入探针场和原子态相干作用后的信息的有效保持,实现量子信息的最佳转换及传递。  本文主要研究近共焦驻波腔中实现内腔EIT的实验条件及耦合光频率失谐,腔模失谐、粒子数密度等参量对实验结果的影响。最终得到了无耦合光时不同温度下二能级原子介质在腔内产生的正交劈裂峰,并在此基础上,加上一束单次穿过腔内介质的耦合光之后腔模失谐为零时耦合光失谐对腔透射峰的影响和耦合光失谐不变时不同腔模失谐下的腔透射峰。
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