原子介质中的量子干涉和光子自旋霍尔效应

论文摘要

光与原子相互作用是量子光学的重要内容,在量子计算、量子通信、量子精密测量等领域具有重要的应用。相干光（激光）与原子的相互作用可以诱导原子的相干性,产生电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）、无反转激光（Lasing Without Inversion,LWI）、无吸收折射率增强（Enhancement of Refractive Index without Absorption）等新奇的现象,在增强原子四波混频（Four-Wave Mixing,FWM）效率、光脉冲的群速度操控、非经典光场的制备等领域有着重要的应用价值。在传统量子光学研究内容的基础上,寻求光与原子相互作用的新形式一直是量子光学中的一个重要目标。近年来发展起来的光子自旋-轨道相互作用（Spin-Orbit Interaction of Light,SOIL）为量子光学的发展提供了新的契机,推动了手性量子光学（Chiral Quantum Optics）的出现和发展。本文首先简要介绍了EIT、FWM、SOIL、光子自旋霍尔效应（Spin-Hall Effect of Light,SHEL）等现象及其应用。然后在此基础上,以原子相干性和量子干涉为核心,开展了在多能级原子系统中关于量子干涉及其操控、基于FWM的多通道频率转换、原子介质中的SHEL及其增强的研究。具体内容如下:1)研究了V型三能级原子系统（包含两个激发态和一个基态）中的量子干涉。两个跃迁通道之间可以发生较强量子干涉的必要条件是:（1）两个激发态的频率间隔小于自发辐射率;（2）两个跃迁通道的电偶极矩阵元具有平行的分量。在这两个条件下,原子的两个跃迁通道可以同时耦合于同一真空模式,从而产生量子干涉。量子干涉会显著地改变原子对探针光的吸收。当两电偶极矩阵元相互垂直时,吸收谱只是两个洛伦茨线型的叠加（没有量子干涉）;当他们具有同向的平行分量时,在共振处的吸收被抑制（相消量子干涉）;当他们具有反向的平行分量时,在共振处的吸收被增强（相长量子干涉）。当两激发态相距很远时（相对于自发辐射率）,量子干涉非常弱,对吸收谱的影响可以忽略。与经典光学中的双缝干涉的对比,揭示了量子干涉与双缝干涉具有同样的物理本质。2)研究了Λ型开放原子系统中退相位机制对量子干涉的操控和增强作用。光与原子相互作用系统中的退相位主要来源于:（i）原子之间的碰撞导致的原子能级起伏;（ii）参与相互作用的光场的相位起伏（等价于频率起伏）。在缀饰态表象下,计算了原子对探针光的吸收,包含两项表示Aulter-Townes分裂（ATS）的洛伦茨线型和表示量子干涉的一项。原子能级起伏或光场相位起伏之间的关联可以用来实现对量子干涉的调控。正关联起伏可以增强相消量子干涉（吸收被抑制）,而反关联起伏可以增强相长量子干涉（吸收被增强）。在特定条件下,量子干涉消失,吸收由ATS决定。另一方面,研究了耦合光拉比频率对量子干涉的影响。当耦合光拉比频率小于自发辐射率时,可以获得较强的量子干涉,同时可以实现退相位对量子干涉的有效调控。当耦合光拉比频率很大时,量子干涉可以忽略。3)在铯原子汽室中基于原子相干增强FWM同时产生了波长分别为455 nm和459 nm的两束蓝色激光。852 nm和921 nm的泵浦光在6S1/2（F=3）→6D3/2跃迁之间建立了很强的原子相干性,同时很大一部分原子被激发到了激发态6D3/2。原子可以分别经过中间态7P3/2或7P1/2回到基态6S1/2。因此,两个FWM过程(6S1/2→6P3/2→6D3/2→7P3/2→6S1/2和6S1/2→6P3/2→6D3/2→7P1/2→6S1/2)可以同时发生,从而将852 nm和921 nm的泵浦光同时转换为455 nm和459 nm的蓝光。通过引入一束很强的895 nm重泵浦光作用于6S1/2（F=3）→6P1/2跃迁可以有效地增强频率转换的效率。最后,研究了产生的蓝光功率随泵浦光失谐、功率、原子汽室温度的变化,找到了可以同时高效产生两束双波长蓝光的参数区域。4)理论证明了在原子介质中利用EIT可以产生SHEL。通过作用一束线偏振的耦合光,原子介质表现出双折射的特性,具备各向异性的折射率。原子介质的折射率和光轴的方向可以通过耦合光来操控。当一束线偏振的探针光穿过原子介质后,其左旋光和右旋光分量会发生方向相反的横向位移,即这两个自旋分量分裂开了。通过选择合适的参数,该SHEL位移可以达到波长量级。为了精确测量SHEL,提出了一种基于平衡零拍探测（Balanced Homodyne Detection,BHD）的测量方案。通过适当选择本地光的偏振、相位、横模模式,可以独立地测量:（i）两个自旋分量的SHEL位移;（ii）空间和角向位移;（iii）横向和纵向位移。通过利用射频调制等技术抑制经典噪声,该测量方案的测量精度可以达到纳米量级。5)理论证明了强各向异性吸收可以增强SHEL。通过作用一束非相干光,利用光学泵浦技术可以将原子介质制备成具有很强的各向异性吸收。在典型的实验参数下,SHEL位移可以达到几微米。当入射光的失谐发生变化时,SHEL位移可以在空间位移和时间位移之间转换。在原子介质中利用强各向异性吸收增强SHEL和在介质界面的布儒斯特角附近增强SHEL具有非常相似的物理机制,揭示了这两个系统之间深刻的联系。其中创新性工作有如下几点:Ⅰ.系统研究了EIT原子系统中的退相位机制及其对量子干涉的影响,从而给出了实验上增强EIT（相消量子干涉）的普遍方法。Ⅱ.在原子系统中利用双通道FWM实现了红外光（852 nm和921 nm）同时到双波长蓝光（455 nm和459 nm）的频率转换。提出并验证了利用895 nm重泵浦光增强频率转换效率的方法。确定了可以同时高效产生双波长蓝光的实验条件。Ⅲ.提出了在原子介质中利用各向异性可以产生SHEL。将SHEL的研究从传统的介质界面等经典系统推广到了原子系统。指出伴随着SHEL的发生,不可避免地会同时发生纵向位移。给出了一种新的光与原子相互作用的机制。Ⅳ.提出了一种灵活的基于BHD的SHEL探测方案。相较于传统的象限探测器结合弱测量放大的方案,这一新方案可以独立地测量SHEL在不同自由度上发生的位移,同时还保持接近量子极限的测量精度。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光与原子相互作用
•     1.2.1 电磁诱导透明
•     1.2.2 四波混频
•   1.3 光子自旋-轨道相互作用
•     1.3.1 光的自旋和轨道角动量
•     1.3.2 几何相位
•     1.3.3 光子自旋霍尔效应
•     1.3.4 自旋-轨道角动量转换
•     1.3.5 横向自旋和自旋-动量锁定
•   1.4 本文的主要内容
• 第二章 原子系统中的量子干涉
•   2.1 引言
•   2.2 主方程
•     2.2.1 哈密顿量
•     2.2.2 波恩近似和马尔科夫近似
•     2.2.3 主方程
•   2.3 量子干涉
•     2.3.1 量子干涉对吸收谱的影响
•     2.3.2 量子干涉与双缝干涉
•   2.4 小结
• 第三章 基于退相位的量子干涉调控和增强
•   3.1 引言
•   3.2 光场相位起伏诱导的退相位
•     3.2.1 激光的相位扩散模型
•     3.2.2 光场起伏诱导退相位
•   3.3 光场起伏诱导退相位对量子干涉的调控
•     3.3.1 量子干涉的调控
•     3.3.2 耦合光拉比频率对量子干涉的影响
•   3.4 原子碰撞诱导的退相位
•   3.5 小结
• 第四章 原子介质中双波长蓝色激光（455 nm和459 nm）的同时产生
•   4.1 引言
•   4.2 双波长蓝光的同时产生
•     4.2.1 能级结构
•     4.2.2 实验装置
•     4.2.3 双波长蓝光的产生和增强
•     4.2.4 实验结果分析
•   4.3 小结
• 第五章 原子介质中的光子自旋霍尔效应
•   5.1 引言
•   5.2 各向异性原子介质的制备
•   5.3 光子自旋霍尔效应
•     5.3.1 自旋积累
•     5.3.2 横向和纵向位移
•   5.4 基于平衡零拍的探测方案
•     5.4.1 基于平衡零拍的位移测量
•     5.4.2 光子自旋霍尔效应的探测
•   5.5 小结
•   附录A 偶极矩阵元和拉比频率
•   附录B 原子介质对任意平面波分量的作用
• 第六章 利用强吸收增强光子自旋霍尔效应
•   6.1 引言
•   6.2 各向异性吸收原子介质的制备
•   6.3 各向异性吸收对光子自旋霍尔效应的增强
•     6.3.1 光子自旋霍尔效应的本征偏振和本征值
•     6.3.2 光子自旋霍尔效应的增强
•   6.4 小结
• 第七章 移动驻波场特性的研究及其在实现光子晶体中的应用
•   7.1 引言
•   7.2 移动驻波场的光场分布和移动速度
•   7.3 高斯光束合成的驻波场
•     7.3.1 夹角对驻波场的影响
•     7.3.2 远场发散角对驻波场的影响
•   7.4 小结
• 全文总结和展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 个人简况及联系方式

文章来源

类型: 博士论文

作者: 武晋泽

导师: 张俊香

关键词: 量子干涉,退相位,电磁诱导透明,光子自旋轨道相互作用,光子自旋霍尔效应

来源: 山西大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山西大学

分类号: O431.2

总页数: 130

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