激光线宽对原子相干效应的影响

　　0　引言

　　光与原子相互作用产生的原子相干效应如相干布局俘获(CPT)[1-4],电磁诱导透明(EIT)[5-8]等是量子光学领域里研究的重要内容之一,有关这一领域的研究目前依然非常活跃。其中EIT效应可导致原子介质对光场的色散增强而吸收减弱,从而引起光场在原子介质中传播速度的减慢,因此可以实现光信息在介质中的存储。与此同时, EIT现象也可应用于无反转激光(LW I)[9]的产生以及提高光学非线性效应[10-12]。在量子信息处理中,光与原子的相互作用也具有重要的地位,利用EIT介质可以实现光信息在光场与原子之间的转换,存储和释放。在利用EIT进行信息处理的一系列应用实验中, EIT窗口的大小是一重要物理指标,例如,它直接影响到光减速的程度以及光存储的时间大小等。因此各种参数对EIT窗口的影响的讨论也有着重要意义。通过计算可知,激光器线宽的增加会抑制EIA和EIT的发生[13, 7]。而且,实验上已经在铷原子系统中证实了耦合光线宽对EIT的影响[14]。在下面的实验中,我们在铯原子系统中对耦合光和探针光线宽对EIT现象的影响进行了比较,得出的结果是,耦合光相比探针光而言,其线宽对EIT效应的影响大于探针光,这一现象说明,在进行光减速与光存储实验中耦合光的选取更值得引起注意。

　　1　理论处理

　　下面对激光线宽引起EIT效应的变化进行简单的理论介绍。对于一个λ型三能级系统,若耦合光和探针光有几乎相同的波长以及以相同的传播方向通过原子气室时。对于速度为v的原子系综而言,探针光和耦合光的一阶多普勒效应相互抵消。假设强的耦合光几乎将全部的原子从一个低能级(对应于泵浦光)泵浦到另一个低能级(对应于探针光),且原子速度分布服从麦克斯维分布,那么系统密度矩阵的稳态解可以很容易得到。对于弱的探针光,原子的极化率可表示为[7, 8]:

　　分别改变探针光和耦合光的线宽,观察EIT峰的变化情况。利用信号发生器产生的白噪声调制激光器的驱动电流使激光器输出激光的线宽发生改变。在实验中,我们使用RIGOL的DG1011信号源输出一个白噪声,通过改变输入噪声的幅值,来改变激光器输出激光的线宽。

　　图2所示为探针光加噪声时, EIT峰随噪声幅值的变化情况,耦合光功率为3 mW,探针光功率为150μW,从上到下分别表示,噪声为0mVpp, 300 mVpp, 500 mVpp, 700 mVpp时的EIT窗口的变化。图3所示为耦合光加噪声时, EIT峰随噪声幅值的变化情况,耦合光功率为3mW,探针光功率为150μW,从上到下分别表示,噪声为0 mVpp, 300 mVpp, 600 mVpp, 800 mVpp时的EIT窗口变化。从图中可以看出,当我们增加噪声幅值时,介质对探针光的吸收都有减小。对于探针光,电磁感应透明效应降低,是由于探针场只有与探测跃迁相共振的部分才能通过介质,而与探测跃迁不共振的部分就会被介质吸收,随着所加噪声幅值的增大,探针光的线宽也增大,相对的,共振频率处的光功率减小,透过的光也随之减少。而当泵浦光的线宽增大时,由于系统的dephasing增加,从而电磁感应透明效应降低。