电与磁增益匹配相干原子气体的负折射光学性质

利用电与磁增益的匹配和原子的相干性，探索在原子气体中实现无光子吸收的负折射；将处于不同相的冷原子光晶格组合与原子EIT效应相结合，研究在低密度冷原子气体中实现无吸收光学负折射。本研究将为在原子气体介质中实现光学负折射提供全新的理论方案，具有重要的科学意义和潜在应用价值。

项目研究了利用电与磁增益的匹配和原子的相干性在原子气体中实现无光子吸收的负折射现象。详细分析了通过一个五能级原子系统实现负折射的问题。在这一系统中，为了平衡电和磁的增益，在电跃迁或磁跃迁上引入了非相干泵浦。通过调节非相干泵浦参数和相干驱动场的拉比频率，我们发现两个手征系数可以近似达到相位相反而振幅相同，从而实现折射率为负。通过数值计算和分析，我们发现系统存在一个很宽的透明窗口，无论改变非相干泵浦参数、相干驱动场拉比频率还是原子密度，这一透明窗口几乎保持不变。在此透明窗口内，计入局域场修正后可以获得-0.5到-1.0的折射率。我们还研究了一个级联型四能级原子模型。在这一模型中，如果原子初始制备在基态与中间激发态的相干叠加态，但在基态与激发态间没有粒子数翻转，通过两个基态间的相消吸收，介质对电分量有增益，但对磁分量仍存在吸收。我们发现在某些频率处介质的相对介电常数和磁导率的实部可同时为负，而它们的虚部的相位恰好相反，对电的增益与对磁的吸收相互抵消。由此，实现了无吸收强负折射的原子介质，折射率系数可达-100的量级。