1 华北电力大学数理系，河北 保定 071003
2 华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003
采用开放的梯形三能级原子模型及密度矩阵方程理论，数值模拟了不同参数条件下，双色双光场多光子电离过程中粒子数布居随时间的变化。发现两束激光频率失谐量均为零时，基态、第一、第二共振态粒子数布居随时间呈现振幅减小的拉比振荡，第一共振态布居振荡的频率是基态和第二共振态布居振荡频率的两倍，第二共振态和基态之间可存在较大粒子数布居反转，为实现短波长脉冲相干光输出提供了可能，且激光拉比频率越高，布居振荡频率及粒子数布局反转差值越大。两束激光同步作用于系统，亦有利于粒子数布居反转。
非线性光学 双共振多光子电离 密度矩阵方程 布居反转 时间延迟 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0719001
Author Affiliations
Abstract
Optic and Laser Group, Faculty of Physics, Yazd University, Yazd, Iran
We investigate the dynamics of a system that consists of ultra-cold three-level atoms interacting with radiation fields. We derive the analytical expressions for the population dynamics of the system, particularly, in the presence and absence of nonlinear collisions by considering the rotating wave approximation (RWA). We also reanalyze the dynamics of the system beyond RWA and obtain the state vector of the system to study and compare the time behavior of population inversion. Our results show that the system undergoes two pure quantum phenomena, i.e., the collapse–revival and macroscopic quantum self-trapping due to nonlinear collisional interactions. The occurrence of such phenomena strongly depends on the number of atoms in the system and also the ratio of interaction strengths in the considered system. Finally, we show that the result of the perturbed time evolution operator up to the second-order is in agreement with the numerical solution of the Schrödinger equation. The results presented in the paper may be useful for the design of devices that produce a coherent beam of bosonic atoms known as an atom laser.
Bose–Einstein condensate collapse–revival macroscopic quantum self-trapping population inversion Chinese Optics Letters
2021, 19(12): 122701
1 吉林大学电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林大学原子与分子物理研究所, 吉林 长春 130012
3 中国科学院超强激光科学研究中心, 上海 201800
近年来,空气激光因在大气传感和环境监测等领域具有重要的潜在应用价值而备受关注。空气激光通常是指强激光诱导大气组分粒子布居数反转,进而产生的远场无腔光放大的激射现象。氮气和氧气作为两种主要的大气组分,均可在强激光激发下产生激射行为。光增益介质可以是氧原子、氮原子、氮分子和氮分子离子。本文以飞秒光丝诱导氮分子和氮分子离子激光为例,讨论了空气激光的现象观测、机理探索和应用前景,并着重介绍了光场偏振效应对氮分子离子激射行为影响的研究进展。
光谱学 空气激光 粒子数反转 大气传感
山西大学 物理电子工程学院,太原 山西 030006
我们在一个循环四能级相干原子系统中,理论研究了抽运场与调制场强度对信号场增益的作用。研究表明,在循环四能级相干原子介质中,调制场改变了四个能级间的粒子数布居分布,导致信号场被增益放大。对于N型四能级原子系统,当加入微小的调制场(调制场强度与信号场相等)时,共振处信号增益峰值提高了12倍。相干抽运场诱导信号场放大,且改变抽运场强度可以实现信号场由对应粒子数反转增益到无粒子数反转增益。且随着抽运场强度增加,共振增益的取值先变大后变小。该循环系统在光放大及增益效应研究中可能有重要应用。
粒子数反转增益 无粒子数反转增益 四能级相干原子介质 Population inversion gain without population inversion gain four-level coherent atomic medium
1 内蒙古师范大学物理与电子信息学院, 内蒙古呼和浩特 010022
2 内蒙古师范大学图书馆, 内蒙古呼和浩特 010022
运用全量子理论,探讨了 Pólya态光场在与Λ型三能级原子相互作用时,原子初态及某些光场参数对粒子布居数反转、光子反聚束效应以及光场压缩特性的影响。结果表明: 原子处于不同初态时,光场概率参数、最大光子数及光场分布参数对系统光场粒子布居数反转的回复-崩塌现象有着显著的影响;初态为激发态或相干叠加态时,在光场概率参数、原子相对失谐量、最大光子数和光场分布参数的影响下,系统光场均可在一定条件下表现为完全的聚束效应或者完全的反聚束效应,但初态不同影响规律也各不相同;如果初态处于激发态,且原子相对失谐量、光场概率参数和最大光子数同时较小,则系统光场的X1分量可以间歇性的出现短时间的压缩。
Pólya态 粒子布居数反转 反聚束效应 光场压缩 Λ型三能级原子 Pólya state population inversion anti-bunching effect optical field squeezing Λ-type three-level atom
1 北京交通大学海滨学院, 河北 黄骅 061199
2 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
在非旋波近似下,研究了频率随时间变化的相干态光场与二能级原子的相互作用,讨论了光场频率随时间作正弦和方波变化时,原子布居数反转随时间的演化特性。数值计算结果表明,当光场频率不随时间变化时,原子布居数反转的周期随着平均光子数的增大而增大;当光场频率随时间作正弦变化时,原子布居数反转塌缩回复的周期和振幅受到了很大影响,光场频率对演化曲线的振荡频率起到了调制作用;当光场频率随时间作方波变化时,原子布居数反转塌缩回复的周期发生了改变,而且出现了新的塌缩回复现象。
量子光学 二能级原子 非旋波近似 原子布居数反转
大连工业大学信息科学与工程学院, 辽宁 大连 116034
研究了一个囚禁于对称双势阱中的二能级原子与单模腔场的相互作用。 通过求解薛定谔方程,给出了整个系统波函数解析解和原子能级粒子数反转的解析表达式。 分析了当腔场初始态分别为粒子数态、相干态以及热态时原子粒子数反转随时间的演化情况, 并考虑了原子质心运动对粒子数反转的影响。结果表明通过选择合适的腔场初始态、势阱位 置及相关因素,可以有效地控制原子的自发辐射率。
量子光学 粒子数反转 自发辐射率 双势阱 量子隧穿 quantum optics population inversion spontaneous emission rate double-well potential quantum tunneling
1 北京交通大学海滨学院, 河北, 黄骅 061199
2 西南科技大学理学院, 四川，绵阳 621010
在非旋波近似下对双光子Jaynes-Cummings（J-C）模型与单模相干态光场相互作用的量子特性进行了精确求解。对双光子J-C 模型与单光子J-C 模型量子纠缠和原子布居数反转的演化特点进行了对比，讨论了平均光子数、光场与原子之间的耦合强度以及失谐对量子纠缠以及原子布居数反转的影响，数值计算的结果表明，随着光场与原子之间耦合强度的增大，量子纠缠的周期性逐渐消失，随着平均光子数的增加，纠缠达到较稳定的最大值所需时间逐渐增大。无论耦合强度、平均光子数还是失谐的增大，由非旋波项产生的虚光子效应逐渐增强，量子纠缠演化曲线和原子布居数反转的塌缩区出现小锯齿状振荡。
量子光学 双光子Jaynes-Cummings模型 非旋波近似 量子纠缠 原子布居数反转
浙江工业大学激光与光电子技术研究所, 浙江 杭州 310023
在PbSe/UV胶量子点光纤环形腔激光器实验的基础上，通过建立并数值求解粒子数速率方程和光功率传播方程等，对1550 nm的激光输出特性进行了数值模拟。计算的抽运阈值功率、单/多模激光输出功率随抽运功率的变化、合适的PbSe掺杂浓度、单模激光功率随输出耦合比的变化等，与实验结果基本吻合。通过对PbSe量子点光纤中激光功率分布的研究，给出了粒子数密度的反转条件：N2/N1≥0.45，该条件可由1550 nm波长处粒子数反转的吸收截面与辐射截面之比得到。研究了掺杂浓度对激光功率的影响，给出了合适的掺杂浓度范围。
激光器 PbSe量子点 光纤激光器 速率方程 阈值 粒子数反转
运用全量子理论的方法, 研究了在驻波激光场中单个囚禁离子布居数反转的动力学特性, 分别讨论非线性参数η和驻波场的相位φ 对离子布居数反转崩塌-复原现象的影响。结果表明, 随着η的增大, 离子的布居数反转崩塌-复原的周期变短,振荡频率变大。 但当η超过某一临界值时,离子布居数反转崩塌-复原的轮廓变得不明显。 另外,驻波激光场的相位也对囚禁离子布居数反转的动力学特性有明显的影响, 随着φ的增大,离子的布居数反转崩塌-复原的周期变大,振荡频率变大。
量子光学 布居数反转 全量子理论 非线性相干态 quantum optics population inversion quantum theory nonlinear coherent state
