利用量子相干实现窄带谱线及其应用

杨红　刘捷　邹旭　符运良

摘 要：窄带谱线在生活、工业及医疗领域具有广泛的应用，因此如何实现窄带激光显得尤为重要。我们建立两个物理模型，利用量子相干实现了超窄的探测光谱，值得强调的是，谱线的宽度和频率范围是可控的，在应用中就更具灵活性。

关键词：量子相干 窄带谱线 应用

中图分类号：TQ423 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0116-02

20世纪初随着科技的发展微电子技术越来越成熟，芯片作为信息的主要传输通道，它的保密性并不十分理想。然而，利用量子相干性对光信息进行处理就具有很大的优越性。因为，信息的加载、传递和接收需要载体之间相互作用，也就是光和原子之间要存在强烈的反应。相对于电子而言光子容易产生、传播和接收，而且传播速度快，光子之间不易发生相互作用，抗干扰能力强，相干性易于保持，可作为高效率的信息载体。因此，可以实现长距离量子网络、量子计算机、光子中继器等核心元件。

由量子相干性引起的一些新奇物理现象也具有广泛的应用。例如，相干粒子数俘获和转移[1-2]，自发辐射相干[3]以及由量子相消干涉导致的电磁感应透明（Electromagnetically induced transparency，EIT）现象[4]等。其中EIT现象应用最为广泛，其在透明窗口处抑制了探测光的吸收并伴随陡峭的色散，因此可以实现无吸收高折射率的光传播[5]、光速加快和减慢[6]以及无粒子数翻转光放大[7]等。另外，调节相应的参数以及考虑一定的条件可得到窄的谱线，因此可被应用于精密测量[8]。

1 利用强偶合场控制实现窄带的探测谱线

我们利用三个强偶合场、和控制一个弱探测场的传播特性，如图1（a）所示。相应的单光子失谐分别为，，和其中是能级到能级的跃迁频率。令三个偶合场的失谐相等，即，并且具有相同的拉比频率

，探测场。如图1（b）所示，偶合场的失谐由零逐渐增大时，单透明窗口开始劈裂成两个（虚点线所示），当失谐达到100 MHz（实线所示）时，也就是远大于偶合场和探测场的强度，两个透明窗口已经相当完美，两个透明窗口之间夹着一条极窄的吸收谱线，约50KHz（插图所示）低于自然线宽。如果关闭偶合场和，五能级退化成三能级，只有一个宽的透明窗口（虚线所示）。可见，通过控制偶合场强度和频率范围能够在五能级原子模型系统中实现双EIT，还可以得到极窄的探测谱线。

2 利用四波混频共振实现窄带的探测增益

在满足四波混频（FWM）共振的条件下，利用两个强偶合场控制两个弱探测场的传播特性，同时考虑自发辐射相干（SGC）效应。如图2（a）所示，四能级原子模型系统中两个强偶合场拉比频率为和，两个弱探测场拉比频率为和，单光子失谐为，，和，和为两个激发态能级，基态和为足够近的两个能级，因此自发辐射跃迁通道和以及和，由于不可分辨必然导致相干，这就要求电偶极矩阵元和以及和是非正交的，即两个电偶极矩阵元之间的夹角不等于90°，如图2 （a）中虚线所示，在FWM共振的原子模型系统中可以实现对探测场的放大。而考虑SGC效应之后，增益的幅度被大大提高。如果降低偶合场的强度，增益幅度随之降低但仍然可以得到较高的探测场增益，谱线的宽度却明显降低，如图2（b）所示。可见，我们的模型系统可实现高增益窄带宽的探测谱线。

3 窄带谱线的重要应用

谱线并不是单色无限窄而是有一定的宽度，通常谱线的宽度定义为峰值下降到最大值一半时所对应的波长。宽带谱线可接收更宽频率范围的信号，且保真度较高。而窄带谱线可应用于无线对讲机、窄带滤波器、窄带干涉滤光片等小频率范围内信号的传递接收等。值得强调的是，窄的谱线在现代工业中的起到至关重要的作用，利用窄带吸收光谱扫描技术能够精确的测量某一物体的体积、厚度等，并且可以透过狭窄的缝隙探测物体的位置及特性等。因此窄带谱线的实现对提高现代工业化进程做出了很大的贡献。除此另外，窄带成像技术、滤波技术等在医疗上也得到了广泛的应用，可用于诊断病情以及微创手术治疗等。

4 结语

光的本质是原子跃迁辐射出能量，其频率和原子能级之间的能量满足关系式：。由于原子能级的超精细结构致使跃迁谱线不可能是单一频率的，即有一定的宽度，自然线宽为兆赫兹量级属于宽带光谱。相比之下，激光因其单色性导致了很强的穿透性而被广泛应用，但也不是绝对的单一频率，所以实现窄带谱线从而提高激光的强度是当前比较热门的课题。我们建立两个特殊的原子模型系统，考虑影响谱线宽度的因素，利用量子相干性实现了可控的超窄探测光谱。基于窄带谱线的广泛应用性，我们的工作也具有更大的意义。

参考文献

[1] Arimondo E.Orriols G.Non-absorbing atomic coherences by coherent two-photon transitions in a three-level optical pumping [J].Nuovo Cimento.Lett.，1976，17（10）： 333-338.

[2] Wang L， Song X L， Li A J， Wang H H， Wei X G， Kang Z H， Jiang Y， Gao J Y. Coherence transfer between atomic ground states by the technique of stimulated Raman adiabatic passage [J]. Opt. Lett. 2008，33（20） ：2380-2382.

[3] Wu J H， Li A J， Ding Y， Zhao Y Ch， Gao J Y. Control of spontaneous emission from a coherently driven four-level atom [J]. Physical Review A - Atomic， Molecular， and Optical Physics， 2005， 72（2）： 023802.

[4] Wu J. H.，Gao J.Y.Absorption properties of a driven Doppler-broadened ladder system with hyperfine structure [J].Chin.Phys.，2002，11（6）：572-1618.

[5] Scully M.O.，Zhu S.Y.Ultra-large index of refraction via quantum interference[J].Opt.Commn.，1992，87（3）：134-138.

[6] Zhang J.P.，Hernandez G.，Zhu Y.F.Copropagating superluminal and slow light manifested by electromagnetically assisted nonlinear optical processes[J].Opt.Lett. 2006，31（17）：2598-2600.

[7] Scully M.O.From lasers and masers to phaseonium and phasers [J]. Phys.Rep.，1992， 219（3-6）：191-201.

[8] Gawlik W.，Krzemień L.，Pustelny S.，et al.Nonlinear magneto-optical rotation with amplitude modulated light [J].Appl.phys.lett.，2006，88（13）：1108-1311.