多能级原子系统左手性及其kerr非线性效应的研究

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1、博士学位论文多能级原子系统左手性及其Kerr非线性效应的研究STUDYOFLEFT-HANDEDNESSANDKERRNONLINEARITYINMULTI-LEVELATOMICSYSTEM杨晓雨哈尔滨工业大学2014年05月国内图书分类号：O431学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学博士学位论文多能级原子系统左手性及其Kerr非线性效应的研究博士研究生：杨晓雨导师：姜永远教授申请学位：理学博士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2014年05月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:O431U.D.C:535DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceSTUDYOFLEFT-HANDEDNESSANDKERRNONLINEARITYINMULTI-LEVELATOMICSYSTEMCandidate：YangXiaoyuSupervisor：Prof.JiangYongyuanAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofScienceSpeciality：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsD

3、ateofDefence：May,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要左手材料是指介电常数和磁导率同时为负值的人工复合结构或复合材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质，在负折射、亚波长成像、隐身斗篷、光学信息处理、量子信息等领域具有广阔的应用前景，是近年来国际学术界的研究热点之一。利用金属亚波长谐振结构单元，人们首次在微波波段实现了负介电常数和负磁导率并对负折射效应进行了实验验证。随着研究的不断深入，人们发现金属微结

4、构的固有欧姆损耗、微波频段响应特性和各向异性属性严重限制了这类左手材料的实际应用。而以原子相干和量子干涉理论为基础，在相干稠密原子气体中实现左手效应的光子共振材料以其光波段响应、低损耗等特性吸引了人们的研究兴趣。本文将针对多能级原子系统如何实现双频段或多频段左手效应，实现低吸收负折射率以及在此左手性原子系统内的Kerr非线性效应的问题展开理论研究。具体工作内容如下：研究外场调节对型三能级原子系统左手效应实现的影响。首先分析耦合场相位对三能级原子系统介电常数和磁导率的影响，发现介电常数和磁导率取值都敏感于耦合场相位的

5、变化，由于耦合场相位的加入使原子系统的磁响应得到增强，从而使原子系统获得较大的负磁导率，并且在左手性频率区间内系统呈现低吸收现象；采用双色耦合场代替单色耦合场驱动型三能级原子系统，结果表明，通过调节双色耦合场的Rabi频率和频差，介电常数和磁导率可以在多个频率区间或者单一频率区间内同时取负值，使原子系统可以实现多频段左手效应或单频段左手效应。研究电磁诱导透明效应对准型四能级原子系统左手效应实现的影响。首先分析双窗口电磁诱导透明以及强耦合场Rabi频率与控制场Rabi频率的取值变化对原子系统介电常数和磁导率取值的

6、影响，结果表明，当控制场Rabi频率远小于强耦合场Rabi频率时，介电常数和磁导率可以在电磁诱导透明效应的双透明窗口区间内同时获得负值，原子系统实现双频段左手效应，且原子系统在一个左手性频率区间内呈现低吸收负折射率，在另一个左手性频率区间内表现活性介质现象；研究控制场与弱探测场作用一个共用能级，介电常数和磁导率在两个频率区间内同时取负值，且系统在频率区间内表现出低吸收甚至零吸收现象，这使原子系统可以实现低吸收双频段负折射率甚至零吸收负值率。研究外场失谐以及原子数密度对V型四能级原子系统左手效应实现的影响。首先讨论在强耦

7、合场和控制场失谐频率共振与非共振条件下，原子系统介-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文电常数和磁导率取值的变化情况，发现在两个场失谐共振情况下原子系统可以实现单频段左手效应，在失谐非共振情况下原子系统可以实现双频段左手效应；讨论在不同原子数密度下原子系统介电常数和磁导率的取值变化，发现较低或过稠密的原子数密度都将抑制系统介电常数和磁导率取负值，并且在适当的原子数密度和参数调节下，原子系统可以实现零吸收负折射率。研究左手性型三能级原子系统和左手性V型四能级原子系统的Kerr非线性效应。首先分析在左手性型三能级原子

8、系统中耦合场相位调制对Kerr非线性效应的影响，分析在双色耦合场驱动下原子系统Kerr非线性效应的变化，发现在左手性型三能级系统中Kerr非线性效应被增强，且受耦合场变化的影响，在左手性频率区间内会产生聚焦效应或者散焦效应；分析在左手性V型四能级原子系统中，强耦合场和控制场失谐共振与非共振对Kerr非线性效应的影响，结果表明，