碱金属原子-腔耦合系统中多波混频效应的实验研究

As an important branch in quantum optics and nonlinear optics, cavity quantum electrodynamics(C-QED) has been intensively concern, and a series of research progress have been made, including: from the vacuum rabbi splitting for the two level system to the intracavity electromagnetic induction transparent(EIT)in the three level system, and from the preparation of the entangled squeezed states based on the parameters process of the crystal medium to the generation of entanglement light owing to the atomic nonlinear coherence, etc. In the mean time, owing to a kind of classical nonlinear effect, four-wave mixing (FWM) plays a key role in material applications, optical fiber communication and quantum information and so on.. This project is mainly researching the multi-wave effect based on different physical mechanism in the cesium atom-cavity composite system, in which through the different multilevel structure formed by the coupling interaction of the multiple coherent light. Our research contents are as follows: through the precise regulation of various experimental parameters, controlling effectively the nonlinear susceptibility of the intracavity medium, and exploring the relevant mechanism of the generation and conversion for the multiple-wave mixing (MWM) signal generated by the different process; Furthermore, seeded with MWM signal and by means of the intracavity enhanced nonlinear effect, the investigation and application of the parametric process in the atom-cavity coupling system can be carried out. We will explore the feasible ways of multi-channel nonlinear optical device and ultra-narrow linewidth photon source to realize long-time quantum information storage transformation and long-distance quantum communication, etc.

腔量子电动力学作为量子光学和非线性光学中重要的分支，一直受到人们的广泛关注，并取得了一系列研究进展，包括：从二能级系统的真空拉比分裂到三能级系统的内腔电磁诱导透明，从基于晶体参量过程的纠缠压缩态制备到利用原子非线性相干产生纠缠关联光场等。而四波混频作为非线性光学中经典的非线性效应之一，在材料应用、光纤通信及量子信息等领域发挥着重要的作用。该项目拟在铯原子-腔耦合系统中，通过多束光场的耦合作用，形成不同的多能级结构，开展基于不同物理机制下多波混频效应的实验研究。主要内容包括：通过精确调节各种实验参量，有效地控制腔内介质非线性极化效应，探索不同多波混频信号的产生及转换机制；进一步以多波混频过程产生的信号作为种子源，利用腔内非线性增强效应，开展基于原子-腔耦合系统下参量过程的应用研究。探索实现长时间量子信息存储转换和远距离量子通讯的多通道非线性光学装置及超窄线宽的光子源等可行性方案。

腔量子电动力学主要研究在受限空间内原子（离子）与光场作用的量子行为。从二能级系统的真空拉比分裂和光学非稳特性到三能级系统的内腔电磁诱导透明及光放大特性，从基于晶体参量过程的纠缠压缩态制备到利用原子非线性相干产生纠缠关联光场等，一直以来是量子光学的研究热点。而四波混频作为经典的非线性效应之一，在新型材料设计、量子网络计算及远距离量子通讯等领域发挥着重要的作用。该项目就结合上述两个方面，开展了基于原子-腔耦合系统下的光学非线性效应及基于简并二能级系统下的四波混频效应的实验研究。主要研究内容及成果包括：. （1）利用热原子的多普勒频移效应，理论分析并实验验证了基于原子-驻波腔下产生内腔EIT效应的物理条件，即只有在耦合光频率在单光子失谐时，才能产生线宽压窄的暗态极子峰；在原子-环形腔系统中，同样只有在单光子失谐下，才能产生线宽达到激光器自然线宽的内腔FWM信号。与自由空间相比，可实现FWM信号与探针光在空间上的大角度分离。为实现全光控制的空间双通道窄带逻辑非门操控及路由提供了可能。同时，利用声光调制器对反向耦合光的控制，可实现探针腔模在单一通道上的三个不同频率信道间的全光开关，而通过引入相干泵浦场，在不改变开关时间的基础上，可有效地提高透射效率。这对于全光控制的多通道量子通讯、全光量子器件、量子计算等研究具有很高的参考价值。. （2）基于铯原子D1线的简并二能级系统，实验比较了在三种简并能级跃迁结构条件下（Fg>Fe, Fg=Fe和Fg<Fe），产生受激DFWM增益满足的条件，即只有在基态角动量大于或等于第一激发态角动量时，即基态的塞曼子能级具有稳定的相干暗态链是产生DFWM的必要条件，而在所有的塞曼子能级中，具有N型跃迁环的稳定基态塞曼相干性和初始抽运子能级上的显著原子布居数可高效地提高DFWM效率。即在Fg=Fe条件下，产生的DFWM效率最高。最终我们获得了增益大于10倍的简并共轭光束对。该结论对于研究基于原子-腔耦合系统下的DFWM过程具有重要的指导意义。