四能级N型原子系统原子相干特性研究

本论文主要研究了N型原子系统中的相干光学现象，具体包含相干烧孔、光群速度减慢、相干吸收与增益以及四能级荧光效应，共分为三个部分。一、四能级N型原子系统中的相干烧孔及光速减慢在这部分我们研究了一个在三束激光场（即一束耦合光、一束附加耦合光和一束饱和光）作用下的多普勒展宽的N型四能级原子系统对探测光的稳态光学响应特性，其中包含相干烧孔效应和光群速度的减慢。在研究中，我们考虑以下两种情况的N型系统结构：（1）饱和光与探测光反向传播，耦合光及附加耦合光均与探测光同向传播；（2）饱和光及附加耦合光均与探测光反向传播，耦合光与探测光同向传播。对于这两种情况，我们首先分别探讨了各系统参数对相干烧孔的数目、位置以及烧孔深度的影响。通过数值分析可知，在情况（1）中，我们可以在系统的吸收谱线中观测到6个相干烧孔和一个EIT窗口。通过调节耦合光和附加耦合光的拉比频率可以改变烧孔的宽度和深度，当耦合光与附加耦合光的拉比频率为Ω_c=Ω_d=60MHz时，烧孔最为理想。当附加耦合光非常弱时，探测吸收谱线中的相干烧孔特性将退化成三能级Λ型原子系统的情况（即四个相干烧孔和一个EIT窗口）。通过调节饱和光的失谐，我们可以获得更多的相干烧孔，但是EIT窗口将变浅并且出现畸变。相反地，在情况（2）中，我们只能观测到两个相干烧孔，而其余的烧孔均隐藏在被EIA峰隔开的两个EIT窗口中。逐渐降低附加耦合光的强度，该EIA峰将劈裂成两个，其间出现第三个EIT窗口。当附加耦合光的拉比频率Ω_d=0时，两侧的EIT窗口将完全消失，显露出两个相干光学烧孔。对于以上的数值分析结果，我们也通过缀饰态理论进行了解析计算。其次，对于上述两种系统结构，我们数值分析了系统对探测光的色散谱线，计算了群折射率和探测光的群速度。研究结果表明，在烧孔和EIT窗口中可以实现探测光的群速度减慢。色散曲线和群折射率与耦合光、附加耦合光及饱和光的拉比频率密切相关。当饱和光拉比频率为Ωs=6MHz、耦合光和附加耦合光的拉比频率为Ω_c=Ω_d=60MHz时，色散曲线的变化特别剧烈，并且具有较大的群折射率。二、四能级N型原子系统中的探测吸收和增益在这部分我们研究了被三束相干光驱动的四能级原子系统，计算了探测光的吸收（增益）系数和色散系数，讨论了探测吸收和色散与耦合光强度和自发弛豫速率的关系。结果表明，当Ωp2=Ω_c=5.0MHz时，系统对探测光Ω p1(ω p1)的吸收谱线中有三个增益峰，其中，共振点处的增益最强。随着Ω_c的减小，共振点处的增益峰发生分裂，增益系数逐渐减小，共振点处的色散曲线由正常色散转变为反常色散，由此可以观测到增强的超快光和无损耗的慢光。当考察系统对Ω p2(ω p2)的吸收谱线时，无论耦合光Ω c的拉比频率为多少我们都无法观测到增益现象，共振的探测光由原来无损耗地通过原子系统变成吸收随着Ω_c的增大而增加。三、相干辐射场作用下四能级N型原子系统的荧光效应在这部分我们讨论了在一束或两束耦合光驱动下的四能级系统的共振荧光效应，计算了荧光系数随自发弛豫速率、耦合光的强度和频率的变化关系。在单束耦合光的作用下，随着耦合光的强度增加，对应共振频率的共振荧光由单峰分裂为双峰结构。在两种情况下，共振荧光谱的峰高度和位置与耦合光和探测光的失谐均密切相关，由此我们可以通过改变相干光的频率来抑制或是增强某光线的通过。另外，通过对两种情况的对比，我们发现在双耦合光驱动下，原子系统在某一组参数下的共振点处的共振荧光辐射为0。对同一种能级结构采用不同的相干光作用或使用数目不同的强相干光，得到的荧光谱线的强度、个数以及位置将不同，这一研究结果可以被用来实现对能级间共振荧光辐射的控制。