基于冷原子增益系统的光前驱波的实验研究

Pulse propagation through a dispersive medium is a fundamental problem in classical electromagnetism. It is now possible to achieve slow or fast group velocity compared with the speed of light in vacuum c for pulses of light propagating through a gas of atoms. This triggered fundamental questions about the information velocity as it relates to causality in Einstein's special theory of relativity. In 1914, Sommerfeld and Brillouin showed theoretically that the front of a step-modulated optical pulse propagating in dispersive media always travels at the light velocity in vacuum c. This front, in the form of a transient wave now known as the optical precursor, is then followed by the main pulse traveling at its group velocity. In general, precursor signals are always mixed with main pulses. It is difficult to separate the optical precursors from the main pulse. Most recently, making use of electromagnetically induced transparency (EIT) and the slow-light effect in cold atoms with high optical depth, we successfully generated and separated the optical precursor from a delayed main field. Although many works have investigated the characteristics of optical precursors, most of them are based on EIT in atomic systems and consider an absorptive media. In this work we explore some characteristics of optical precursors and the transmitted pulse in cold atoms with active Raman gain in a three-level system as well as in a four-level system or with four wave mixing system. We will try to understand the original of optical precursors by investigating the dependence optical precursors on optical depth, the probe and coupling frequency detuning, the shape of pulse and the rising and falling time.

脉冲信号在色散介质中的传输是经典电磁学中的一个基本问题。当光脉冲信号在原子系统中传输时，脉冲的群速度可以大于或小于真空中的光速，但是信息的速度能否大于光速，是否会违反因果律？1914年，索末菲与布里渊指出一个阶跃脉冲信号的上升沿在色散介质中总是以真空中的光速传播，主信号则以群速度传播。这个上升沿是一种瞬态效应，叫做光前驱波。光前驱波与主信号混合在一起，在实验上很难将它们剥离开来。最近，在高光学厚度的冷原子系统中，利用EIT和慢光效应，我们成功地将光前驱波与延迟的主信号进行了分离。现在有许多工作研究光前驱波的特性，但是主要集中在吸收介质中并利用了EIT效应。本项目我们基于冷原子介质，在主动拉曼增益三能级与四能级系统中，在四波混频系统中研究光前驱波和透射脉冲的特性。通过改变介质厚度，探测光失谐量，输入脉冲形状，脉冲上升沿时间等参数来研究光前驱波的变化规律，深刻理解光前驱波的物理本质

原子介质是研究光学信号传输和相干调控的理想平台。本项目基于相干原子介质实现了对光学脉冲和特殊光束的调控。我们首先建立了光与原子相互作用实验平台，该平台包括冷原子系统和热原子系统。在此基础上，我们以电磁感应透明和四波混频为技术手段，研究了光学脉冲信号和特殊光束的传输和调控。对于光学脉冲信号，研究了一个方波信号穿过拉曼介质和四波混频过程产生的光前驱波信号。对于特殊光束，在四波混频系统中，我们研究实现了艾里光束的频率变换和孪生艾里光束的产生。艾里光束是一种特殊的光束，具有无衍射、自愈合、自加速的特征。在原子系统中利用三阶非线性过程实现艾里光束的频率变换可以克服液晶型空间光调制器波长范围窄的缺点，拓展了艾里光束的产生和应用范围。. 在参量放大四波混频系统中实现的具有量子关联特性的孪生艾里光束在非局域量子成像方面具有重要应用；此外，基于非线性过程中光子轨道角动量守恒原理，我们还在四波混频系统中验证了利用拉盖尔高斯光束实现CNOT门的可能性。. 在电磁感应透明系统中，我们研究了光学图像的频率变换，研究发现经过复制后的图像比原图像具有更好的分辨率，而且还可以近无衍射传输，这种图像频率变换技术在光通讯、光学成像、量子信息方面具有重要的应用。由于这个复制系统在复制图像的过程中，只对图像的强度进行复制而消去了图像的相位信息，我们利用该系统产生了一个具有艾里强度分布但是没有相位信息的赝艾里光，从而研究了艾里光束的自愈合特性与波前相位的关系。. 最后，我们在闭合EIT系统中，对艾里光束的传输特性进行了理论研究，发现艾里光束在传输过程中，不仅具有自弯曲的特性，而且会出现周期性的摆动，从而找到了一种对艾里光束的自加速特性进行调控的新方法。这些研究结果将加深我们对光学信号传输和调控的认识。