Pr:YSO晶体中基于四波混频的慢光和可逆存储

Velocity reduction and reversible storage of light pulse based on atomic coherence effect have important applications in quantum information and all-optical communications. Currently, mainly in atomci gases, researchers have performed experimental investigations of the coherent manipulation of light pulse. In this program, we use a Pr:YSO crystal as the experimental medium, and study the velocity reduction and reversible storage of double light pulses by four-wave mixing effect in solid-state medium. The research contents are shown as the followings: 1)build the dynamics propagation equations of double light pulses in solid-state medium, analyze the influence of four-wave mixing on the propagation properties of double light pulses in solid-state medium. 2)In a Pr:YSO crystal with Double-Lambda scheme, obtain the slowed four-wave mixing signal by applying two control fields and a probe field, analyze the experimental conditions for obtaining slowed four-wave mixing signal. 3)study the reduction of group velocity of generated fou-wave mixing pulse and input probe pulse, analyze the influence of the experimental parameters on the slowing of double light pulses. 4)Under four-wave mixing effect, by manipulating the intensities of the control fields, study the reversible storage of the probe and four-wave mixing signal, analyze the influence of the crystal parameters on the storage process.

原子相干效应导致的光脉冲速度减慢和可逆存储在量子信息和全光通信等领域有着重要的应用价值。目前研究者主要在原子气体中开展了光脉冲相干调控的实验研究。本项目我们将以Pr:YSO晶体为实验介质，利用四波混频效应开展固体介质中双光脉冲的速度减慢和可逆存储的研究工作。 具体内容是：1）建立固体材料中双光脉冲传播的动力学方程，分析固体中四波混频对双光脉冲传播特性的影响；2）在Pr:YSO晶体的四能级Double-Lambda模型系统中，通过两个控制场与探测场作用获得速度减慢的四波混频信号，分析获得减慢的四波混频信号的实验条件；3）研究产生的四波混频脉冲和输入探测脉冲的群速度减慢规律，分析实验参数对双光脉冲减慢的影响；4）利用四波混频效应，通过对控制光场的强度调控，研究探测信号和四波混频信号的可逆存储，分析晶体光谱参数对存储过程的影响。

光是信息的优良载体，广泛应用于通讯和信息领域。但光也同时具有不易超控和难以局域化的缺陷。如何实现光速的调控和光信息的相干可逆存储已经成为量子光学和量子信息领域的重要研究课题，相关研究工作已经引起研究者的广泛关注。目前的研究表明电磁感应透明技术可实现光信息的相干操控。电磁感应透明主要发生在三能级系统中，可实现单个光场的相干控制。基于原子相干的增强四波混频允许多个光场的相互作用，使多光场的相干控制成为可能。多光场的相干控制对进一步的信息处理和光子比特的相干控制具有重要意义。多数相关的工作主要在原子气体中开展，为了进一步应用，固体介质中的相关研究更有实际意义。本项目我们利用四波混频效应，在Pr:YSO晶体中开展了光脉冲速度减慢和相干存储的研究工作。在理论上和实验上研究了光脉冲在四波混频介质中传播的动力学规律，研究了信息光和四波混频光在固体介质中的同时速度减慢的物理规律，通过控制相干光场的强度进一步获得了两束光的相干可逆存储，讨论了光信息号和原子自旋相干相互转换的动力学过程。同时探讨了利用该项技术获得可控的拍信号和多重频率转换。利用四波混频技术，发展了光脉冲所承载的光学图像的相干控制，实现了光学图像在固体介质中的减慢、存储以及转换等相干控制。利用四波混频与电磁感应技术的结合，实现了光学涡旋和艾里光束的相干控制，获得了艾里光束的减慢与存储，讨论了光学涡旋在相干驱动介质中的转换规律，实现了光学横向信息的相干操作。利用原子相干技术实现了光信号横向位移的相干控制。上述研究工作发展和丰富了光脉冲相干控制的技术和方法，为相关技术的进一步应用提供了参考，在进一步的量子信息和信息处理中有着重要意义。