基于驻波场诱导量子相干效应的弱光非线性和原子光刻

Quantum coherence effect in the standing-wave fields coupled atomic system can be ultilized to manipulate the interaction between light and atom effectively. Compared with the case that with traveling-wave, the quantum coherence effect in standing-wave has distinct features that need to be investigated further. Based on the quantum coherence induced by standing-wave fields, the research proposals in this project are given as follows:. 1. In the ultracold atomic sample, we devise a dynamic magneto-optically controlled cavity in which the cavity mirrors are formed by the photonic-band-gap structures coherently induced by the standing-wave fields. The cofinement and feedback effects of the cavity enhance the Kerr nonlinearity greatly even at low light level. The large cross phase modulation has practical application in quantum phase gate..2. By measuring the absorption or spontaneous emission spatically modulated by the standing-wave fields, high precision atom lozalization can be achieved. By investigating the dynamics of the atomic state and atomic motion, we can devise simple two-dimensional atom lithography scheme with high resolution.. The investigations in this proposal further develop the method to control the interaction between light and atom with quantum coherence, and have potential applications in quantum optics, nonlinear optics and laser physics.

驻波场和原子耦合体系中的量子相干效应为我们提供了一种有效调控光与原子相互作用的手段。和行波场情况相比，驻波场中的量子相干效应展现出独特的性质，这方面的研究还需要进一步探索和发展。因此，本项目以驻波场诱导的量子相干效应为基础，拟开展以下两方面的基础性研究内容：.1. 利用驻波场相干诱导光子带隙作为高反射率的腔镜在冷原子系综中构建动态磁光控制的光学腔，通过腔对光脉冲的限制和反馈作用增强弱光Kerr非线性效应，用于量子相位门；.2. 利用驻波场空间周期调制原子的吸收、自发辐射等实现高精度原子局域，研究通过驻波场后原子态和原子运动的演化，设计简单易行的高分辨二维原子光刻方案。.通过上述研究，进一步发展利用量子相干控制光和原子相互作用的手段和方法，为其在量子光学、非线性光学和激光物理领域的应用提供有价值的理论依据和参考。

原子相干效应和量子（关联）成像是量子光学领域研究的前沿课题，在驻波场与原子耦合体系中，基于量子相干效应实现二维亚半波长运动局域和Kerr非线性调制感应光子带隙；基于光场的二阶相干特性，理论和实验对量子（关联）成像进行研究。. 1. 运动原子位置的精密测量是量子光学和激光物理领域的前沿问题之一。光学手段和技术可以提供较高的精度和空间分辨率。驻波场强度的空间调制导致原子的吸收/增益特性依赖于原子在驻波平面的空间位置，通过探测场的吸收/增益能够获得原子的位置信息。闭合环原子系统中多通道原子激发之间的量子干涉具有位相敏感特性，可以提高原子位置测量的不确定性。特别的，我们能够实现亚半波长的二维原子局域，波长范围内特定位置处探测到原子的最大几率为1。量子干涉效应提高了原子位置的空间分辨率，这在原子位置的精密测量、原子光刻等方面具有重要意义。. 2. 研究了梯型四能级系统中的电磁感应光子带隙。结果表明，两邻近中间能级向基态的自发辐射通道之间的量子干涉效应，能够增强控制场和探测场之间的三阶Kerr非线性相互作用。于是，当控制场为具有空间强度周期变化的驻波场时，沿驻波方向传播的探测场将在受到吸收和折射率的空间调制，对于控制场远离共振和共振两种情况，可以分别得到单光子带隙和双光子带隙，能够控制光子的流动方向。这种相干诱导的双光子带隙可以用于产生两个静态光脉冲，并有效地增强非线性作用。. 3. 基于经典的光场相干性理论，研究了大气湍流对热光关联成像对比度和信噪比的影响，分析了赝热源双色无透镜关联成像的成像条件和成像效果。基于均值为零的联合高斯态光源模型和推广的惠更斯——菲涅尔积分，研究了大气湍流对纠缠光双色鬼成像分辨率和视场的影响。理论和实验证明了分组对应成像方法可以不利用关联算法实现图像重构。进行赝热光关联成像实验，对影响关联成像质量的因素进行研究。. 通过上述研究，进一步发展利用量子相干控制光和原子相互作用的手段和方法，为其在量子光学、非线性光学和激光物理领域的应用提供有价值的理论依据和参考。另一方面，量子（关联）成像独特的物象分离的非定域性以及关联测量手段使其比普通光学成像系统在远距离成像探测方面更具有优势。