四能级原子系统中量子相干增强的Kerr非线性效应的研究

应用密度矩阵方程计算了四能级原子系统中三阶非线性极化率随信号光和探针光频率失谐的变化关系。结果表明,由于量子干涉对信号光强度的敏感性,使四能级原子介质的交叉Kerr非线性作用大大增强,与三能级系统相比,四能级原子介质的Kerr非线性系数可增强两个数量级。

四能级Tripod-型原子系统中量子相干导致的交叉Kerr非线性效应

计算了四能级Tripod-型原子系统中探针光极化率随其频率失谐量的变化曲线。结果表明,当触发光作用于该系统的一个共振跃迁能级时,可使探针光的吸收和色散在其电磁感应透明(ElectromagneticallyInduced Transparency,EIT)窗口(由耦合光产生)处发生显著变化。随着触发光Rabi频率的增加,探针光在EIT窗口的吸收显著降低,色散显著增加。这种由触发光引起的探针光极化率的变化对应着三阶Kerr非线性光学效应,这一效应在偏振量子相位门中有着潜在的应用价值。

RY型四能级原子系统中增强的交叉Kerr非线性

在理论上研究了RY型四能级原子系统中的交叉Kerr非线性效应。采用微扰理论和密度矩阵方法导出三阶极化率实部随外加的相干耦合场强度和原子两基态间的无辐射衰减系数之间的关系。结果表明,在双光子Raman共振处,通过减小原子两基态间的无辐射衰减系数和提高外加的相干耦合场的强度,可以获得无吸收增强的交叉Kerr非线性效应。该研究结果在全光学开关上有着重要的应用潜力。

原子消相干对四能级EIT系统中非线性效应的影响

文章在理论上研究了原子消相干速率对Rb原子四能级Tripod系统中EIT增强的交叉Kerr非线性的影响。结果表明,交叉Kerr非线性效应随着原子消相干速率的减小而增大。当两基态之间消相干速率γ1从2.5 MHz减小到0.2 MHz时,交叉Kerr非线性折射率可增强一个数量级。

四能级Tripod原子系统中相干增强的非线性效应

大的交叉Kerr非线性(又称交叉相位调制(XPM))在量子信息处理中有着非常重要的应用。在热铷原子D1线构建的四能级Tripod系统中,开展了交叉Kerr非线性增强效应的研究,首先通过理论计算和数值模拟出耦合光使探针光和触发光同时产生的电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency)窗口,即双EIT窗口;然后模拟了当有无触发光(探针光)时,探针光(触发光)的吸收和色散随探针光频率失谐的变化曲线,结果显示当触发光(探针光)的频率失谐接近或者等于耦合光频率失谐的时候,EIT窗口会出现一个显著的变化,即在此处实现了明显的交叉Kerr非线性增强效应。相比已有工作,特点在热的原子气体中,通过选取合适的能级,构建了四能级Tripod型系统,在此系统中计算得到了探针光和触发光同时产生的EIT窗口,并理论模拟了探针光和触发光之间基于该双EIT窗口的交叉Kerr非线性增强效应。

非线性左手材料的时域研究

分析了非线性左手材料模型,推导了非线性左手材料中的时域有限差分法及完美匹配层的计算式。数值模拟了具有Kerr非线性效应的左手材料平板中的电磁波。观察到该材料同样具有电磁聚焦特性。对比线性左手材料,其聚焦点的幅度和位置都会发生偏移。同时改变波源的强度及其到平板边界距离,讨论了不同距离情况下该非线性左手材料平板对电磁波分布的影响。当波源距离材料平板足够远,通过非线性左手材料聚焦的电场强度几乎集中在其外表面。

Sr原子电磁感应透明效应相关理论研究

从理论上研究了Sr原子系统中电磁感应透明(EIT)效应及其伴随的Kerr非线性效应。计算表明,将一级冷却得到的Sr冷原子粘团作为光场与原子相互作用的EIT介质,用较弱的耦合光可以得到一个非常窄的EIT窗口和较强的Kerr非线性效应。该研究结果为实现689 nm激光器的线宽压窄及应用EIT效应进行88Sr玻色子冷原子光钟研究提供了理论参考。

Kerr非线性效应对通过金膜狭缝阵列透射特性的影响

基于严格的有限时域差分方法,研究了填入非线性Kerr介质的金膜狭缝阵列的增强透射特性.结果表明:在所研究的波长范围内出现的共振透射峰是表面等离子体共振和局域波导共振共同作用的结果.详细分析了金膜狭缝阵列中填充的非线性介质的厚度、三阶磁导率、线性折射率以及入射光强对透射特性的影响.发现填充在金膜狭缝阵列中的非线性介质的厚度、三阶磁导率、线性折射率和入射光强度等参数的微小变化就能导致透射共振峰的峰值和峰中心波长的明显改变.这些研究结果或许有助于设计精确光开关等光子器件.

具有实用价值的纠缠态光源的研制

为获得具有实用价值的纠缠态光源,课题组首先进行了系列高质量全固态连续单频1064 nm和532 nm激光器的研制。研制完成的全固态连续单频1 064 nm激光器的性能指标如下:输出功率达30 W,光光转换效率达37%,7 h内的输出功率波动优于±0.3%,光束质量(M2)优于1.1。同时对激光器1 064 nm/532 nm双波长输出的激光器的噪声进行了研究,其强度和位相噪声均在分析频率4 MHz处达到散粒噪声基准。而且非线性晶体还可以作为噪声抑制装置,对1 064 nm输出激光的强度噪声进行抑制,使其在低频段的驰豫振荡噪声降低40 d B。进行了光通信波段1.55μm和1.34μm全固态连续单频激光器的研制,获得了680 MW的连续单横模1.55μm激光输出以及400 m W的连续单频1.55μm激光输出,1.5 h内输出功率波动优于±1.5%,其强度噪声和位相噪声在分析频率5 MHz处均达到散粒噪声基准;获得了输出功率达9 W的连续单频1.34μm激光输出,光光转换效率达18%。激光器在4小时内的功率稳定性优于±1%,在1 min的频率漂移为8.5 MHz,输出激光的光束质量M2因子为1.03。进行了1.55μm和1.34μm光通信波段连续变量量子纠缠光源的研制,经过优化实验系统,获得了压缩度为5 d B、波长为1.55μm的压缩态光场,压缩度为6.1 d B、波长为1.3μm的压缩态光场;完成了1.08μm连续变量量子纠缠光源样机的研制,纠缠源系统的输出波长为1 080 nm,振幅和位相差起伏方差大于5 d B。设计并研制了双色可调谐连续变量纠缠态产生装置,其中,纠缠光束中的一束波长位于碱金属铷原子的吸收线波段;在实验室建立起一套基于光纤通信器件的远程连续变量量子密钥分发系统平台,实验实现了30 km的四态分离调制连续变量量子密钥分发,有效密钥速率大于1 k B/s。利用光子晶体光纤,制备了接近单模的E波段单光子,实验测得其宣布效率可达86%(修正探测效率后),强度关联函数违背经典光源极限值80倍以上。

一种全光开关及任意比能量输出光分束器的设计

基于光子晶体非线性Kerr效应设计了一种结构简单的任意比能量输出光分束器,通过控制抽运光的强度来控制端口能量输出比.该结构还可以实现控制光传输的动态开关作用,并且具有插入损耗低、无串扰、信号光的开/关两个状态下的透射率相差非常大的特点,因此该光开关具有很高的开关比.