基于狭缝波导的非线性与量子干涉效应研究

【摘要】当光与物质(原子、分子等)发生共振相互作用时,可导致一系列有趣的现象。利用近年来人们发展起来的电磁感应透明(electromagneticallyinducedtransparency,简称EIT)技术,即通过引入外加控制光制备相干的原子、分子的量子态实现探测光场激发路径间的量子相消干涉,可以大大消除介质对探测光的吸收；利用EIT可使光在介质中的群速度大为减慢甚至变为零,该特性对于设计新型光学延迟器件、实现光量子存储以及研制光量子通信器件等方面有着重要的应用；利用EIT得到的非线性光学效应增强,可实现弱光甚至单光子水平下的非线性光学相互作用,包括多波混频、量子无损测量、量子相位门、弱光超慢光孤子等。所以,EIT及其有关的研究无论是在基础物理研究还是在技术应用方面都有重要意义。EIT的提出及实现至今已有二十余年,尽管有关理论与实验研究已取得不少进展,但在实际应用方面的研究进展较为缓慢,其原因是多方面的。其主要原因之一是,至今为止大多数EIT研究集中在自由空间的气态原子体系。自由空间中的EIT系统存在以下缺点：第一,原子气体的密度低,EIT效应不够强。如何进一步增强EIT效应,包括共振吸收抑制、光脉冲群速度减慢、和非线性效应增强存在困难；第二、室温下的原子气体具有很强的多普勒效应,EIT效应不理想。为了得到较好EIT,需要将原子冷却到极低温度,使得实验装置庞大复杂、代价昂贵；第三,由于采用自由空间中的原子气体作为光的传播介质,难以实现光学器件的小型化和大规模集成。为了克服上述缺点,一个自然地想法是是使用固体材料代替气态原子等量子发射体。但是,一般的固体材料也存在许多缺点。例如相对于自由空间的原子气体而言,固体材料的能级结构复杂、晶场效应导致的量子退相干效应较为严重等。另外,即使是使用固态介质,所得的量子干涉效应和非线性效应仍然不够强,难以满足单光子水平上的量子态操纵及其相互作用的需要。因此,将量子发射体(原子、分子、量子点等)掺杂于某些固体材料,且使其具有微纳米尺寸,从而得到性能较好的微纳混合量子器件(hybridquantumdevices)的研究受到了人们越来越多的关注。这样的微纳混合量子器件不仅可利用单一量子发射体能级的锐线特征,而且由于其微纳结构尺寸能在很小甚至亚波长尺度下实现光场的局域,使得光场具有很小的有效模体积,从而可大大增加光场的有效强度。所以,在这样的微纳混合量子体系中光场与量子发射体的非线性与量子干涉效应可得到极大的增强。近年来,由于微纳米光学器件加工工艺的迅速发展,使得基于微纳结构的量子干涉与非线性效应研究成为可能。本文利用光和介质相互作用的半经典理论,对基于狭缝波导的EIT及有关的非线性效应进行了较为深入和系统的研究。研究工作包括以下几个方面：1.研究了充有原子气体的中空狭缝波导的EIT与光的线性与非线性传播特性。狭缝波导由于其边界上介电常数与电场的不连续性,电场可被囚禁在波导的狭缝区域中,从而得到极大的增强。我们发展了狭缝波导中的原子气体与光场共振相互作用理论。研究发现系统的EIT效应对狭缝的尺寸有很强的依赖关系,即狭缝波导对光场的限制作用可减小光场的有效模体积从而增强EIT效应。特别是,与非受限系统相比狭缝波导中得到的EIT透明窗口更宽、更深。此外,通过分析底能级的非相干粒子数交换对吸收谱线的影响,发现非相干粒子数交换可以使体系对光场的吸收变得更小。最后,我们推导了描述探测光包络函数演化的包络方程,对光的非线性传播进行了深入的研究。2.研究了掺杂固体狭缝波导中的EIT与量子干涉效应。详细研究了掺杂固体狭缝波导中的EFT、Autler-Townes分裂(Autler-Townessplitting,简称ATS)与EIT-ATS渡越现象。我们证明,由于狭缝中电磁场分布的近均匀特征,可以引入平均法简化掺杂量子发射体的Bloch方程。通过使用平均法变换和留数定理,得到了描述线性光学性质的完全解析表达式,包括线性色散关系、EIT透明窗口宽度、深度与实现EIT的条件等。我们分析了由于狭缝波导对光场的囚禁作用导致的EIT效应的增强,发现在狭缝波导中实现EIT的控制光阈值强度可大大降低。研究还表明,由于固体环境所导致的非均匀展宽效应可被光场囚禁与增强效应有效地加以抑制。另外,我们通过谱分解方法对探测光的线性吸收谱线进行了详细分析。结果表明通过改变控制光的拉比频率,可有效地实现从EIT到ATS的渡越。3.研究了低温下掺杂固体狭缝波导中的非线性增强与超慢光孤子的形成与传播。从布洛赫方程组出发,得到了非线性极化率的表达式,并阐明了非线性增强的机制。研究发现狭缝波导中的三阶非线性极化率对狭缝宽度的变化非常敏感,即当狭缝宽度变小时系统的克尔非线性效应将显著增强。这是由于狭缝宽度变小时,波导的囚禁效应变强导致狭缝中光场的强度增强,因而引起自相位调制的增强。我们还从麦克斯韦-布洛赫方程组出发,通过多重尺度法推导了描述探测光包络函数演化的包络方程并给出了超慢光孤子解。与自由空间中的系统相比,受限系统可以在更弱的输入功率条件下实现光孤子的产生与传播。上述工作不仅有利于推动基于微纳结构的非线性与量子干涉效应的理论发展,而且对于研发基于微纳结构的新型光学器件和发展光信息处理与传输技术也有潜在的应用价值。
【作者】徐进；
【导师】黄国翔；马龙生；
【作者基本信息】华东师范大学，光学，2014，博士
【关键词】狭缝波导；掺杂固体；电磁诱导透明；Autler-Townes分裂；克尔非线性；超慢光孤子；

【参考文献】
[1]時潤民.鄭文焯生平心曲發微[D].华东师范大学,中國古代文學,2014,博士.
[2]管志敏.自抗扰控制技术在大型火电机组控制系统中的应用研究[D].华北电力大学（北京）,2010.
[3]陈跃.农村内部收入差距研究[D].云南财经大学,发展经济学,2014,硕士.
[4]李静.Pillai算术函数的均值问题[D].山东师范大学,基础数学,2013,硕士.
[5]宋雪雁.现代组织机构电子文件鉴定理论和方法研究[D].吉林大学,档案学,2004,硕士.
[6]梁露露.两种桩核系统修复对双尖牙抗折强度的影响[D].广西医科大学,口腔修复学（专业学位）,2013,硕士.
[7]华林森.中文文本情感分类研究[D].重庆大学,计算机系统结构,2014,硕士.
[8]李谦锋.中国建筑铝型材行业发展战略研究[D].北京交通大学,2013.
[9]邓亚岷.potA和mreB在胡萝卜软腐果胶杆菌中的功能研究[D].南京农业大学,植物病理学,2013,硕士.
[10]兰彩虹.基于IEC61850的电能质量建模及通讯研究[D].山东大学,电气工程（专业学位）,2013,硕士.
[11]陈继松,常旭.储油薄层的地震响应及定量解释[J].石油地球物理勘探,1987,04:386-399.
[12]余赟.低合金钢表面化学气相沉积金刚石膜的研究[D].华南理工大学,材料加工工程,2014,硕士.
[13]陈延寿.企业实施ERP若干问题的思考[J].湖北汽车工业学院学报,2004,03:48-51+60.
[14]赵新,金新民,唐芬,梁晖,吴学智,童亦斌.基于改进型比例谐振调节器的并网逆变器控制[J].电工技术学报,2014,S1:266-272.
[15]谢建军.中学作文教学的求诚之路[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[16]谭巧巧.WSN快速数据收集与安全数据融合的研究[D].重庆大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[17]王旭阳,李明.一种基于RoughSet的分类规则挖掘方法[J].兰州理工大学学报,2004,05:93-95.
[18]吕小军.山东省农产品绿色营销策略研究[D].山东财经大学,企业管理,2012,硕士.
[19]詹耀强.高中历史教学与学生综合能力的培养[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[20]吴志华.基于分子动力学单层石墨烯纳米带的拉伸力学特性研究[D].西安电子科技大学,2014.
[21]陈平.多发性内分泌腺瘤病1型与2A型临床特点及基因突变分析[D].中国人民解放军医学院,内科学,2013,硕士.
[22]朱印伍.锑化物热光伏电池材料MBE制备及器件特性研究[D].哈尔滨工业大学,信息功能材料与器件,2013,硕士.
[23]高红刚.高能喷丸对304不锈钢应力腐蚀性能的影响[D].浙江工业大学,化工过程机械,2012,硕士.
[24]冯珺.《鄂尔多斯婚礼》品牌及其效益研究[D].内蒙古师范大学,中国少数民族经济,2013,硕士.
[25]姚静.多电飞机电气系统的故障诊断研究[D].西北工业大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[26]赵曜.改进型内模控制系统的稳定性与鲁棒跟踪条件[J].控制与决策,2007,04:477-480.
[27]彭江平.财务智能系统关键技术研究[J].统计与决策,2005,12:93-94.
[28]张小琦.纤维增强复合材料变形与损伤的细观力学分析[D].西南大学,材料学,2013,硕士.
[29]吴再强.一株干酪乳杆菌发酵生产L-乳酸的研究[D].江苏科技大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[30]贺伟.基于J2EE的物业管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[31]程运真.顾客重复购买意向的影响因素分析[D].上海外国语大学,国际贸易学,2014,硕士.
[32]王晓俊.美研制出廉价石墨烯泡沫传感器[J].半导体信息,2012,01:16.
[33]周小云.表达HIV-1多价合成基因的痘苗病毒载体构建及疫苗株筛选[D].湖南农业大学,生化与分子生物学,2003,硕士.
[34]边雪玲.利澳科技公司业务流程优化研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[35]许晓晨.天津港环球滚装码头有限公司综合信息管理系统的设计和应用研究[D].天津大学,物流工程,2013,硕士.
[36]王军,陈振楼,许世远,过仲阳,路月仙.长江口潮滩环境信息系统功能设计研究[J].地理与地理信息科学,2004,04:36-39.
[37]孙连鹏.吉林地区高中生物选修一模块现状调查与实践案例研究[D].东北师范大学,学科教育,2012,硕士.
[38]苏文庭.MDA催化加氢制备含低反—反异构PACM的实验研究[D].浙江大学,应用化学,2004,硕士.
[39]刘雷.天津滨海新区高粘粒吹填土初始沉降阶段排水固结过程中微结构形成过程研究[D].吉林大学,地质工程,2013,硕士.
[40]官宇寰.合成氨生产系统的DCS改造[D].四川大学,化学工程,2003,硕士.
[41]戴南,吉根林.分布式决策树算法研究与实现[J].南京师范大学学报(工程技术版),2005,04:46-48.
[42]龙再浩.甘氨酸位点NMDA受体拮抗剂MRZ2/576对吗啡诱导小鼠的奖赏效应和运动活性影响的研究[D].浙江大学,卫生毒理学,2004,硕士.
[43]刘兴景,杨东援.公路管理数据仓库及其数据分析技术[J].长安大学学报(自然科学版),2003,02:67-72.
[44]胡祥玲.中粮生化肇东公司ERP信息系统管理研究[D].吉林大学,工业工程,2014,硕士.
[45]王桂馥.从中韩渔业纠纷看跨界捕捞的法律规制[D].沈阳师范大学,法学理论,2014,硕士.
[46]何宇东.天然水晶和合成水晶的鉴别研究[D].中国地质大学（北京）,材料工程,2013,硕士.
[47]康树军.萨北开发区二类油层聚驱不同沉积模式综合调整技术研究[D].东北石油大学,地质工程（专业学位）,2013,硕士.
[48]杨明镇.哇巴因逆转肝癌细胞耐药性的实验研究[D].遵义医学院,消化内科,2012,硕士.
[49]ChangQiongli.劳工到精英—论美国华裔族群的美国梦[D].西安外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[50]高儒.集装箱船综合安全评估（FSA）研究[D].大连海事大学,交通运输工程,2013,硕士.