关键词： 四波混频   铯原子气室   相干蓝光   涡旋蓝光  

摘要： 四波混频（Four-Wave Mixing,FWM）是两束不同颜色的泵浦激光,共向传播入射到碱金属原子组成的蒸气室中,产生新波长光的过程。这些非线性过程中新产生光束的光谱区域可以覆盖从红外到紫外以及深紫外。在量子信息处理、高灵敏度原子成像、潜艇通信、光学数据存储等方面有着重要的应用潜力。本文在加热的铯（Cesium,Cs）原子气室中研究了基于FWM上转换过程产生的相干蓝光（Coherent Blue Light,CBL）特性。相关研究内容可分为以下三部分:1)研究了碱金属蒸气中制备CBL的背景和意义。介绍了国内外不同小组关于制备CBL的一些研究进展。分析了FWM中的存在的吸收特性,并给出了FWM中相位匹配的相关理论研究。2)在加热的Cs原子气室中,利用852 nm和917 nm双色泵浦激光将Cs原子驱动到6D5/2激发态。在满足相位匹配条件下,实现了更高功率的456 nm CBL。实验中观察到了CBL的功率和辐射的荧光对实验参数（铯蒸气室的温度,泵浦激光功率和频率失谐）的依赖性。在最佳的Cs蒸气室温度和泵浦激光功率作用下,产生的456nm CBL功率会出现饱和现象。同时,在共向传播的光场中,双泵浦激光引起Autler-Townes（AT）分裂,在双态结构中观察到较大的分离（193 MHz）。3)介绍了一些关于涡旋光束的制备技术,分析了这些技术的优劣势。同时,阐述了涡旋拓扑电荷（Topological Charge,TC）的检测方法和不同小组对这些检测技术方法的应用。然后,在加热的Cs蒸气中对基于四波混频产生双波长涡旋蓝光进行研究。实验中,通过空间光调制器（Space Light Modulator,SLM）将852 nm和921nm的高斯光束（Gaussian Beam,GB）转变为拉盖尔高斯光束（Laguerre Gaussian Beam,LGB）。通过6S1/2→6D3/2双光子跃迁将Cs原子泵浦到高激发态,在6D3/2→7P3/2→6S1/2和6D3/2→7P1/2→6S1/2这两个向下跃迁通道中观察到了456 nm和459 nm双波长涡旋蓝光（Vortex Blue Light,VBL）。研究了这两种波长蓝光的产生与TC的检测。通过改变852 nm和921nm涡旋激光携带的轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）,演示了对应VBL的变化。最终,观察到新产生的VBL携带的OAM是满足守恒规律的。

关键词： 高激发态原子   多波混频   电磁诱导透明  

摘要： 精确可控的量子信息比特载体是量子信息处理实用化进程中面临的一个重要核心问题。在物理学中,一些给定的物理体系可以作为信息载体,而信息处理及传输则是某些对应物理过程。就目前而言,在研究量子信息的实验中,相关的物理平台或者物理系统主要包括:超导体、线性光学、捕获离子以及半导体中的量子点等。高激发态原子的主量子数n通常非常大,它们有一些共性的特征:原子尺寸是基态原子的数千倍大,束缚能非常小,辐射寿命非常长,偶极矩非常大,偶极-偶极作用对电场非常敏感。这些特点使得中性高激发态原子成为实现量子逻辑运算最具潜力的信息载体。而作为一种重要的非线性光学过程,多波混频是指当N束任意频率的激光满足相位匹配条件作用于介质时,可以形成第N+1束频率为入射光频率各种和差组合的激光。可以用于频率转换,产生新的波长,在制备介关光子器件以及实现多光子纠缠源方面有着重要的意义和价值。

关键词： 飞秒激光   四波混频   时域有限差分算法   表面等离极化激元   等离子体  

摘要： 在超快纳米光子学中,在固体表面得到局部强场进而提高非线性效率成为可能方案表面。表面等离极化激元是一种在金属和电介质界面上的电磁振荡,可以将场局域在亚波长尺度内,具有显著的局域场增强效应。但是使用单束入射光难以对其直接激发,一般需要棱镜、光栅或纳米球等额外结构来满足动量匹配。这些激发方式对工艺要求较高,并且一般针对特定问题要使用特定制造方案,缺乏灵活性,极大地提高了成本。本论文将非线性光学与表面等离极化激元相结合,基于四波混频中的多光子过程,对在金属和电介质单一界面上激发表面等离极化激元进行了基础性研究。由于非线性信号是以表面等离极化激元的形式在界面上局域性传播,金属表面的四波混频效率也得以提高。本论文采用理论模型和软件数值仿真研究了在金和石英界面上利用四波混频激发的表面等离极化激元特性,主要研究内容包括:(1)通过四波混频效应中的波矢的矢量叠加,计算出了激发表面等离极化激元的条件参数,建立了金属表面四波混频效应的理论模型。(2)构建了适用于金属和电介质双层结构的时域有限差分算法实现方案,并使用软件建立了四波混频在金和石英单一界面上激发表面等离极化激元的二维仿真。使用波长为707 nm和800 nm的两束入射光进行激励,结果表明当激发出表面等离极化激元时,波长为633 nm的四波混频信号的电场强度可以被提高两个数量级,并且对入射光束的偏振角和入射角都具有选择性。得到了表面等离极化激元的时域信号,进而研究了入射激光与表面等离极化激元的能量关系。弱场条件下该过程符合多光子能量关系,但在强场条件下不再适用。(3)基于飞秒激光电离石英产生等离子体的损伤机理,通过程序数值计算出了四波混频激发表面等离极化激元的入射光强阈值,并预测了此时可以达到的最高四波混频转换效率。

关键词： 四波混频   量子纠缠   高斯光   光学轨道角动量   量子导引  

摘要： 量子力学中最重要和不可思议的概念之一是量子纠缠。对量子纠缠的基础性质的详细研究是非常必要的,是人们更好地理解这种概念并实现基于它的各种应用的必要条件。因此本文主要围绕量子纠缠进行以下四项工作:1.我们首次在实验上实现级联四波混频系统产生的三光束纠缠。我们用强功率的高斯激光束作为泵浦,入射到级联的铷原子系综,在其中发生四波混频反应,产生三光束高斯态。为了在实验上研究其纠缠性质,我们用平衡零拍探测测量光场的振幅和相位正交分量,并构造协方差矩阵(CM),进而用Positivity under Partial Transposition(PPT)判据详细分析了光场的纠缠性质。2.我们用空间光调制器将一束高斯光转换为拉盖尔-高斯(LG)光;这种LG光中具有光的轨道角动量(OAM),我们利用这种LG光做探针光注入级联四波混频过程中制备出OAM复用的三光束纠缠态。实验证明,每一束光通道中最多存在9组三光束纠缠态以及20组两光束纠缠态。3.为进一步拓展研究多光束纠缠态的性质,我们使用对称级联结构的四波混频过程制备出了四光束纠缠态。我们在实验上用平衡零拍探测测量光场振幅和相位正交分量,并构造CM,进而详细分析了光场的纠缠性质;此外,我们还研究了四光纠缠态对损耗的鲁棒性。4.量子导引是量子力学中的另一个概念,它与量子纠缠不同之处在于它的非对称特性。而大多数对量子导引的研究都是在两体系统,对多体系统的量子导引的研究能帮助我们理解其在多个系统间的互相关联并可能带来新的研究方向。我们基于前面的装置制备出四光束关联态并构建出CM,随后我们用高斯Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)量子导引判据证明了实验上存在的各种EPR量子导引。此外,我们研究了各个EPR量子导引对损耗的鲁棒性。该实验为基于多光量子导引的非对称的量子信息协议奠定了基础。

关键词： 非线性光学   四波混频   Autler-Townes分裂   缀饰态   电磁诱导透明  

摘要： 主要研究了多缀饰四波混频Autler-Townes(AT)分裂的相干控制。通过控制外加缀饰场的数量使四波混频信号由单缀饰向级联双缀饰转变,其中单缀饰和双缀饰四波混频信号通过扫描探测场失谐可以观察到AT分裂现象,并且在双缀饰四波混频信号中观察到了二级AT分裂现象。最后分析了AT分裂位置和宽度的影响因素。研究结果表明,通过控制缀饰场Rabi频率和失谐可实现AT分裂位置和宽度的相干控制。

关键词： 外腔式半导体激光器   光学环形腔   多波混频   里德堡态原子   相位控制  

摘要： 原子光学因为激光的问世有了很大的发展,通过激光和外层电子的强耦合作用可以极大地改变原子介质的光学响应特性。本论文基于外腔式半导体激光器系统搭建了用于研究多能级铷原子系统中高阶非线性效应的实验系统,然后利用基于原子相干的电磁诱导透明和光泵浦效应研究了低激发态和高激发里德堡态高阶非线性多波混频的共存与相互作用,这种缀饰高阶多波混频在多通道全光通信、量子信息处理方面有着重要的潜在应用。首先,我们基于模拟技术设计实现外腔式半导体激光器伺服系统,适用于铷原子能级跃迁的780nm、776nm以及795nm外腔式半导体激光器。通过对外腔式半导体激光器的结构和特点进行分析,我们基于模拟电子技术提出了外腔式半导体激光器伺服系统的结构,包括电流驱动模块、温控控制模块以及用来压窄激光线宽和保证激光长期稳定的主动稳频系统。然后根据实验需要提出电流、温度以及主动稳频模块的性能指标,再根据指标要求模块提出了各个模块的具体电路设计方案,并结合实际应用情况给出了各模块详细的设计电路图;最后在硬件上对设计方案进行调试最终达到提出的性能指标。最终把各个模块组合装机完成一套完整的设备用于驱动实验中需要的外腔式半导体激光器。我们开发高精度高稳定度的外腔半导体激光器驱动及主动稳频系统,不仅可以满足高精度原子光学实验的要求,而且它简单的结构、低成本、高可靠性也可以用于教学和其它商业开发,所以研制这样一套用于控制半导体激光器系统也就具有了突出的现实意义和社会价值。其次,设计并实现了光学环形谐振腔的稳定扫描系统。我们把热原子介质置于一个三镜环形腔内,它的强耦合性可以有效地增强介质的非线性效应。同时,把周期极化的KTP晶体置于四镜环形腔内来产生二次谐波信号,也就是所谓的倍频技术。然而,在具体实验中我们需要保持三镜腔腔长的长期稳定以及四镜腔与基频光处于共振状态,因此必须通过外部锁腔系统把腔锁在相应的参考激光上,结果表明原子腔的漂移从100MHz被抑制到小于4MHz。在实验中,原子腔可以被看成是一个腔缀饰场,倍频腔的输出也可以被看做是一个缀饰场。为了得到无背底的干净信号,我们要对缀饰场进行扫描,这就要求我们对环形腔在锁定以后能以一定的频率进行一定范围的扫描。为了满足实验需要,我们设计了两套负反馈锁腔系统实现对腔长的稳定,系统可以保证腔在锁定的情况下能以10Hz的频率进行1GHz范围的扫描。第三,通过电磁诱导透明和光泵浦来研究低激发态原子系统中共存多波混频的相互作用和相位调制过程。我们分别在三能级和倒Y型四能级85Rb原子系统利用光泵浦和EIT技术得到了共存的四波混频和六波混频,通过不同的光束配置,光泵浦效应可能产生增加或者减少探测场吸收的过程。在此基础上,通过调节探测场和与耦合场之间的角度,我们在K型五能级系统里面研究了共存的探测场、多波混频和荧光信号的相位调控特性。另外,通过选择不同的基态超精细能级也可以控制缀饰效应的强弱。这种可控的高阶非线性过程有用在新型的光电器件和多通道量子信息处理等领域的潜能,同时这也为我们研究高激发的里德堡态的高阶非线性过程积累了经验。最后,以低激发态原子系统中得到的多波混频为基础,我们研究了高激发里德堡态原子系综中基于电磁诱导透明的高阶非线性和相位调制过程。一方面,我们在共存的电磁诱导透明窗口中从理论和实验两个方面研究了热85Rb原子气体中的里德堡态六波混频和八波混频过程。通过扫描缀饰场,可以得到通过多组自旋相干产生的八波混频过程,该八波混频过程主要通过强里德堡相互作用导致的缀饰态效应和激发阻塞效应之间的竞争和相互作用来体现,经过多个电磁诱导透明窗裁剪的八波混频信号线宽小于30MHz。另一方面,我们也研究了里德堡电磁诱导透明介质中多波混频的抑制增强效应。里德堡原子间的强相互作用可以调制介质的非线性色散特性,同时也会导致眀态和暗态之间的非线性相移。这种由里德堡效应诱导的非线性相移可以通过抑制增强的缀饰不对称性进行定量地估计,该研究证实了里德堡原子间存在的强相互作用,同时该非线性相移也可以应用于相敏探测的研究。

关键词： 四波混频   相位锁定   相干调制技术   关联多光束   多组份纠缠态  

摘要： 多关联光束甚至多组份纠缠态不仅对于量子效应的验证还是对于量子技术的未来应用都是非常重要的,它们本身既是量子光学与原子分子物理的一个重要研究课题,又是探索这些研究方向不可或缺的工具。非局域性和量子纠缠等量子现象的验证都需要用到多组份纠缠态,因此制备多关联光束和多组份纠缠态是一项非常重要的研究课题。本论文主要介绍以下四个工作:(1)我们采用相干调制锁定技术实现了一个非线性干涉仪的位相锁定。相比于以前的锁定技术,我们主要有两方面的创新:(A)锁定了三束光之间的相对相位,以前的都是两束光情况;(B)锁定了一个非线性干涉仪的内部相位。(2)我们在理论上讨论了一个实验上容易实现的级联四波混频过程产生三组份纠缠态的可能性。我们通过计算三束光的协方差矩阵和纠缠判据的违反来证实系统中确实存在三组份纠缠态,例如两条件纠缠判据,单条件纠缠判据,最优单条件纠缠判据,部分转置保持正定判据。我们还用Duan-Giedke-Cirac-Zoller判据和部分转置保持正定判据去分析系统中可能存在的两组份纠缠。我们发现三组份纠缠和两组份纠缠中的两对在全增益空间内都是存在的。在不同纠缠判据下的纠缠性质被详细的讨论。我们的结果为基于级联四波混频过程的多组份纠缠的实现和应用开辟了道路。(3)我们理论上刻画了产生于级联四波混频过程中的多关联光束中的成对关联。在这个系统里成对量子关联可以被强度差压缩度所刻画。在不同级联四波混频过程中的所有成对的量子关联都被详细的讨论并且预测了其中的排斥效应。我们也把这些理论预测应用到实验上,发现理论和实验在一定程度上是吻合的。我们的研究为级联四波混频过程中量子态的分类和应用开辟了道路。(4)基于一个空间结构的四波混频过程,我们实验上实现了多模量子光源的一步集成。在这个过程中,注入光被放大,三个探测光和两个闲置光同时被产生,测量的四光和六光之间的强度差压缩度分别为-4.1±0.1 dB和-4.7±0.1 dB。产生的关联多光束空间上是自然分离的,这对于量子通讯是非常重要的。我们的方案紧凑,简单,相位不敏感,非常容易集成到大尺度的量子关联模式。

关键词： 四波混频   六波混频   里德堡态   碰撞展宽   碰撞再构  

摘要： 碰撞效应是许多研究领域的基础,通过对原子分子碰撞过程的研究,可以观测和分析原子、分子的内部结构,还可以展开对原子核等基本粒子的研究,近年来,随着量子信息与量子计算和冷原子技术的飞速发展,关于原子高激发态碰撞效应和碰撞引起的能级再分布现象(碰撞再构)的研究再次吸引了大量的研究兴趣[1-4]。多波混频光谱学是在非简并四波混频的基础上提出的一种研究原子或分子高激发态和高角动量态的有效光谱学工具,其相位匹配条件较宽松,能够在很大的扫频范围内实现,可以用来研究任意阶数的混频效应,因此具有更大的普遍性。本文采用由双光子共振非简并四波混频和碰撞再构非简并四波混频组成的双共振非简并四波混频理论和三光子共振非简并六波混频和碰撞再构非简并六波混频组成的双非简并六波混频理论研究原子碰撞效应,并分析了缓冲气压、温度、光束1共振失谐1?、各个碰撞展宽系数对双共振非简并多波混频谱线的影响。双非简并多波混频技术可以获得丰富的原子结构信息。双非简并多波混频具有光路结构简单,测量信息丰富的优点,可以成为一种有效的研究原子碰撞效应的相干光谱学工具。

关键词： 四波混频   纠缠判据   信噪比   噪声系数  

摘要： 四波混频过程是一个产生量子态的有效方法,且有很多潜在的应用。本论文中,我们基于热铷原子系综中的四波混频过程在理论上构造了两个系统。其中个系统用于实现多光束量子纠缠,另一个系统用于实现光学信噪比的优化。我们理论上研究了基于热铷原子系综中四波混频过程实现四光束量子纠缠的系统。该系统中输出光束的数量随着铷池数量的增加呈指数增长而且输出光束间的量子关联随着铷池数量的增加而增强。基于此,在本文中我们研究该系统中存在的量子纠缠。我们利用几个不同的基于平衡零拍探测技术的判据来研究量子纠缠情况。首先我们利用Duan和Simon判据来分析该系统中存在的两光束量子纠缠。接着利用由Loock和Furusawa提出的三条件判据和单一条件判据来研究该系统中存在的四光束量子纠缠。最后我们给单一条件判据中不同的正交分量引入不同的系数来最大程度地消除输出光束间的量子噪声,通过这种方法改进了单一条件判据,推导出了优化的单一条件判据。利用优化的单一条件判据,当两个铷池强度增益相等且大于1.5时,该系统中存在真正的四光束量子纠缠,且四光束量子纠缠的强度随铷池强度增益的增加而增强。此优化的单一条件判据在实验上是方便实施的并且很容易推广到多光束量子纠缠的情形。我们理论上研究了基于热铷原子系综中四波混频过程实现信噪比优化的系统。我们分析了非相敏放大器中,即探测光为相干态注入,共轭光为真空态注入时,探测光信噪比的变化。发现噪声系数大于1,即探测光在被放大的同时信噪比降低。接着分析了相敏放大器中,即探测光和共轭光均为相干态注入时,探测光信噪比的变化。发现在特定条件下,噪声系数小于1,即探测光能够在被放大的同时信噪比得到提高。在注入光束间的相对相位为2kπ(k为整数)时,探测光的有效增益最大且噪声系数最小。在这样的相对相位下,只要注入共轭光光强高于注入探测光光强的17.2%时,探测光就能够在被放大的同时信噪比得到提高。特别地,当注入共轭光光强同时低于注入探测光光强时,就实现了弱光对强光信噪比的优化作用。

关键词： 量子Zeno效应   电磁感应透明   Autle-Townes分裂   多波混频   相位和频率控制   微波放大和减小   超导量子电路  

摘要： 量子光学是研究光与物质相互作用的学科,它是量子场理论和物理光学的完美结合,其理论框架由仅涉及介质量子化的半经典理论和介质与光场均量子化的全量子理论组成。量子光学从诞生之日起就一直吸引着许多杰出的物理学家的注意,其研究系统也从最初的自然原子系统发展到现在各式各样的新型量子光学系统,如量子点系统、NV色心系统、光机械系统、超导量子电路系统。其中,基于约瑟夫森节的超导量子系统已经被用来展示了许多有趣的量子光学现象,从而导致了电路量子电动力学这一概念的提出。作为超导电路的核心部件,超导量子比特可以被外部的参数调谐和控制,其行为类似人造的多能级原子。因此,与传统的腔量子电动力学相比,电路量子电动力学系统具有极大的调谐性和可控性,从而可以通过调控来实现灵活的量子光学现象。本文的研究工作就是借助超导电路这一系统来开展的,并取得了一些创新性的成果,主要有：1.利用由一个驱动的超导电荷比特与一个传输线谐振子强耦合或者超强耦合相互作用所组成的电路量子电动力学系统,我们展示了量子Zeno效应的理论研究。借助于缀饰态方法,我们预测了在两种相反的投影测量下的缀饰比特的动力学行为。对于非常频繁的重复测量,我们研究显示缀饰比特初始态的生存几率具有指数形式,并且其Zeno时间长于裸比特两个数量级。对于缓慢的重复测量,我们发现驱动场的失谐量对比特的测量动力学有重要的影响,而且在恰当的系统参数下,Zeno效应在非共振耦合情形下出现了。我们强调,对于一个通常的两能级系统,这种Zeno效应不能发生。2.通过驱动一个由电荷比特与传输线谐振子强耦合所构成的有效的三能级超导缀饰系统,我们研究了电磁感应透明和Autler-Townes分裂。在缀饰态框架和稳态近似下,我们深入的研究了该系统对一个弱探测信号的线性响应。借助于谱线分解方法和其余的限制条件,我们获得了缀饰态系统的电磁感应透明和Autler-Townes分裂实现的详细条件,并呈现了一个相应的“相图”。与一般的裸系统相比,这些被获得的条件对比特-谐振子系统的参数有额外的依赖。作为结果,通过调谐比特的约瑟大森耦合能,我们呈现了从电磁感应透明到Autler-Townes分裂的跃迁。我们的研究再次显示了固态超导量子电路可调谐性的优点。3.我们研究了四能级V-型超导系统的电磁感应透明和Autler-Townes分裂。该系统由超导量子干涉仪耦合的两个超导电荷比特构成,我们给出了其本征值和本征态的一般解。我们研究发现,对于探测场的吸收谱线,这个四能级系统可以展示多个dip,至多3个dip,这打破了传统的对应关系：N+1能级系统最多显示N-1个dip。通过把这个四能级系统分解成两个三能级子系统,我们对于这一发现给出了一个合理的解释。我们也显示,通过调谐系统的参数,吸收峰和dip的角色是可以交换的。4.利用一个可循环跃迁的△-型三能级超导量子比特,我们研究了非线性多波混频现象。由于选择定则在这个系统中的缺乏,我们首次在理论上论证了三波、四波和五波混频能共存。对于仅仅一个超导比特,四波混频的效率就可以高达0.1%,这可以与先前的许多原子系统的波混效率相比较甚至更大。我们也显示三波和五波混频信号的谱线发生了Autler-Townes分裂,并且量子干涉对总的信号——三波和五波混频信号的相干叠加——有重要的影响。5.利用一个循环驱动的三能级超导约瑟夫森系统,我们研究了一种新型的相位和频率敏感的微波放大和减小。不同于先前的纯粹的相位敏感放大的线性理论,一种新的物理机制——非线性波混和波干涉的共同作用——被提出,不仅导致了信号的放大而且也能导致减小,这被称之为干涉非线性光学。我们研究显示,通过调谐相对相位,输出信号经历了从大的增益到深深的抑制的跳跃式转变,从而该系统可充当一个相位控制的振幅调制器。此外,通过改变驱动场的频率,我们显示了输出信号从放大到减小的连续变化,从而系统可充当一个频率控制的振幅调制器。我们的研究为微波信号在量子信息科学中的宽广的应用打开了一个新的视角。