第七章无粒子数反转激光和原子相干和干涉的其他效应.doc

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1、第七章无粒子数反转激光和原子相干和干涉的其他效应原子物理和辐射物理中量子相干和相关已经导致了许多有趣的和料想不到的结果。例如，在态的相干叠加制备的原子集合产生了Hanle效应，量子拍，光子回波，自感应透明，和相干Raman拍，事实上，在1.4节，我们清楚量子拍效应提供了量子化辐射场最引人注目的的理由之一。制备原子体系在态的相干叠加方面的进一步有趣的结果是，在特定条件下，可能对原子相干消吸收。这样的原子态称为trap俘获（囚禁）态。通过原子相干和干涉的无吸收观察冲击了无粒子数反转激光(LWI)的概念，消吸收伴随的折射率增强，以及电磁感应透明。无粒子

2、数反转激光中，基本的概念是由原子相干和干涉造成的消吸收。这个现象也是电磁感应透明的本质。通常这在三能级原子体系完成，在三能级原子体系中有两个相干路径吸收可以破坏干涉，因此导致消吸收。激发态上小部分粒子数可以导致净增益。一个有关的现象是图7.1Hanle实验和原子能级示意图无吸收共振增强折射率在相位相干原子的集合(phaseonium)。在phaseonium气体中激发态没有粒子数布局，吸收消除总是与折射率为零相符合。然而，当提供一小部分原子在激发态时，吸收消失稍微离共振，其中折射率的实部有真实的值。这产生了无吸收介质中高折射率的可能。7.1Han

3、le效应Hanle实验提供了最清楚的和最古老的原子相干起着重要作用的实验演示之一。处于弱磁场中原子的集合用方向偏振光来照射。沿方向重新辐射的光的偏振则被探测到。对小磁场发现重新辐射光可以是沿方向偏振的，如图7.1所示。为了理解原子如何被方向偏振的光激励，重新发射方向光，必须计算入射辐射感生的偶极矩。如果取一原子初始时在基态，(7.1.1)而后电场(7.1.2)感生了跃迁到能级，并且波函数变成(7.1.3)原子频率由下式给出(7.1.4)其中是由于磁场的能级分裂。则原子偶极矩(7.1.5)其中是与相关的极化强度，而且(7.1.6)让我们研究合理的的

4、情况。则方程(7.1.5)变为(7.1.7)这原子偶极子导致一辐射场，其荧光和偏振是时间的感兴趣的函数。根据方程(7.1.7)，如果现在我们放一个探测器在x-轴上的点，如果所加上的磁场H，因此，为零，没有散射辐射会探测到。对有限的，然而，会有一个调制的沿轴的场辐射，它的时间依赖性由下式给出(7.1.8)这个调制场的理由是能级和之间感生的相干。注意到这表现为非零的特点。一般的，我们说原子相干当矩阵有非对角元时存在。7.2相干俘获（囚禁）---暗态原子态相干叠加中的一个有趣的现象是一个新效应，相干俘获。如果一个原子在相干叠加态中制备，可能在某些条件下

5、消吸收或发射。这些原子在存在共振跃迁处对入射光场高效透明，本节，会讨论三能级原子体系中的相干俘获效应。三能级原子中原子态的相干叠加，有许多有趣的应用。这些包括无粒子数反转激光和非吸收介质中折射率的增强，这在本章后面讨论。进一步应用包括量子拍（见1.4节）和相关自发辐射激光（第14章）。图7.2型结构的与频率为v1和v2的两个光场相互作用三能级原子考虑与两个光场频率分别为v1和v2相互作用的一个三能级原子的相干俘获，如图7.2所示。假设原子处在所谓的型结构中，两个低能级和耦合到一个单上能级，其他的可能三能级方案包括和级联型结构。系统的Hamilto

6、nian量，在旋转波近似条件下，通过把与一个双模光场相互作用的两能级原子Hamiltonian适当的一般化可以得到(方程(5.2.3)-(5.2.5))(7.2.1)其中(7.2.2)(7.2.3)其中和是复拉比频率，这个频率与频率分别为v1和v2的场模式频率耦合到原子跃迁和有关。假设只有和跃迁是偶极跃迁允许的。原子波函数可以写成形式：(7.2.4)概率幅的运动方程,和可以根据Schrödinger方程导出，(7.2.5)(7.2.6)(7.2.7)已经假设场分别处于和共振跃迁，即，和。现假设初始原子态是两个低能级和的叠加态。(7.2.8)方程(

7、7.2.5)-(7.2.7)的解服从给定的初始条件(7.2.8)，(7.2.9)(7.2.10)(7.2.11)其中，明显的相干俘获发生在，，(7.2.12)在这些条件下，(7.2.13a)(7.2.13b)(7.2.13c)即，粒子数俘获在低能态，即使有光场存在的条件下，仍没有吸收。在目前三能级原子，相干俘获由于两个跃迁之间的发生量子消相干。最后注意到有一个相干俘获(CPT)的有趣的结果从绝热的使方程(7.2.3)的场时续时断。也就是说，如果考虑这样的情况开始从态上的原子和=0和有限并继续使断开而缓慢使接通，结束态的原子。这清楚使得实现原子处于

8、时间相关的俘获，(7.2.14)见习题7.3。本节中，讨论了初始被放在无吸收态。CPT的有趣方面是它能够发生即使原子在t=0时刻不处在暗