包含超精细能级结构的复杂二能级系统中高效四波混频及超越衍射极限光学成像研究

Quantum coherent control widely deals with the interaction between light and matter. It mainly focuses on the dynamics of the light and the quantum system. For instance, unlike the traditional nonlinear optical process, the strong interaction between the laser and the quantum systems in near-resonant case can increase the coherence of the quantum systems, which greatly enhances the four wave mixing process. Besides, if the laser is transparent in a quantum system, the transversal distribution of the laser field can alter the dispersion and absorption properties correspondingly, which results in the optical imaging beyond the diffraction limit. Based on a novel stimulated Raman adiabatic passage in simple two level systems, this program concentrates on the evolution of the laser and the systems when the systems contain hyperfine structure. The content of the program is as follows: (1) investigating the high efficient four wave mixing process in two level systems with hyperfine structure in order to generate the ultraviolet pulse; (2) based on the transparent propagation of the laser pulse in two level systems with hyperfine structure, studying the influence of the transversal distribution of the laser field on the dispersion and absorption properties; (3) following the above studies, exploring possible schemes to realize the optical imaging beyond the diffraction limit.

量子调控侧重于研究光与物质相互作用时光场和量子体系的动力学演化过程。它的研究领域非常广泛。例如，区别于传统的非线性光学过程，光场与量子体系在近共振情况下的相互作用可以增强量子体系的相干度，从而极大地提高四波混频效率；而当光场在量子体系中透明传输时，场强的横截面分布可以相应地改变量子体系的色散吸收特性，从而实现超越衍射极限的光学成像。本项目拟基于简单二能级系统中一种受激拉曼绝热跟随新技术，研究当二能级系统包含超精细能级结构时，激光场和此复杂二能级系统的动力学演化过程。本项目将主要开展以下几个方面的研究：（1）讨论包含超精细能级结构的复杂二能级系统中四波混频产生真空紫外光的过程，研究系统高相干对四波混频效率的影响；（2）基于该技术实现的复杂二能级系统中光场的透明传输，探讨光场的横截面分布对系统色散吸收的影响；（3）基于上述研究，进一步讨论在复杂二能级系统中实现超越衍射极限光学成像的可行性方案。

量子相干调控是利用相干光与物质的相互作用控制光场或者量子系统演化过程的一种手段。在量子相干调控下，实现对光场的控制如在介质中实现光的透明传输在量子通信等领域非常重要；而实现对量子系统的调控如制备出最大相干叠加态则在增强四波混频等非线性过程中具有重要的应用。基于量子相干调控中一种简单二能级系统下的受激拉曼绝热跟随新技术（D-STIRAP），并按照项目的研究计划，我们系统开展了以下相关研究：.（1）探讨了光场在包含超精细能级结构的复杂二能级系统中的传输及其色散特性。研究发现，在两个失谐脉冲的辅助下，入射光场可以在此复杂系统中实现透明传输。我们同时研究了入射光场的色散特性，发现在传输过程中其色散为零，在复杂二能级系统中光以真空中的光速传播。具有超精细能级结构的复杂二能级系统在自然界中普遍存在，该研究大大降低了光透明传输对材料的要求。.（2）探讨了存在永久偶极矩的复杂二能级系统中利用D-STIRAP技术制备得到相干的变化。研究表明，在单光子或双光子跃迁的情况下，永久偶极矩的存在会严重制约最大相干叠加态的制备，从而降低四波混频效率。然而，该负面影响可以通过选择脉宽更长的脉冲得到有效抑制，从而实现最大相干叠加态的制备。由于很多量子体系都具有永久偶极矩，因此该研究使得D-STIRAP技术的应用范围得到了极大拓展。.（3）探讨了当量子体系处于高密度状态时，复杂二能级系统中利用D-STIRAP技术制备得到相干的变化。研究发现，当量子体系处于高密度状态时，局域场的存在会改变光与物质的相互作用。随着气体密度的增加，D-STIRAP技术制备得到的相干会从最大相干突变为零，这个突变会严重影响四波混频效率。研究同时表明，增大入射失谐脉冲或者泵浦脉冲的场强可以抑制相干突变的产生。该研究不但对提高四波混频效率具有借鉴意义，同时在光开关方面也具有潜在的应用价值。