新奇的光現(xiàn)象—近共振增益光柵

更新時間：2025-06-24

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　　全光網(wǎng)絡通信，具有抗干擾性強、容量大、傳輸效率高等優(yōu)點，已成為下一代通信系統(tǒng)的重要組成方式。作為全光網(wǎng)絡核心基礎(chǔ)，全光調(diào)控技術(shù)已被研究人員廣泛關(guān)注。目前，全光調(diào)控技術(shù)主要有非線性光柵，非線性耦合器，非線性放大器等。

　　在原子介質(zhì)中引入量子相干效應為深入研究光與原子的相互作用開辟新的途徑，這為研究全光調(diào)控技術(shù)帶來了新的啟示。量子相干效應會產(chǎn)生許多新奇有趣的現(xiàn)象，如電磁感應透明(EIT)、相干布局俘獲、無反轉(zhuǎn)激光等。在Λ 型三能級原子EIT系統(tǒng)中，用駐波代替耦合場的行波可形成電磁感應光柵 (EIG) 效應。

　　與傳統(tǒng)光柵相比，EIG 可以主動實時調(diào)控光場，能夠同時實現(xiàn)振幅和相位的調(diào)制，可應用在量子全光開關(guān)等方面。

　　然而，EIG獲得的衍射效率相對較小。為了提高衍射效率，研究人員提出了電磁感應相位光柵(EIPG)，其一階衍射效率接近理想正弦相位光柵。盡管如此，EIPG的高階衍射效率還是相對較小，探測場的能量并沒有得到很好的放大。

　　創(chuàng)新研究

　　山西大學董雅賓副教授課題組在N型四能級原子系統(tǒng)[圖1(a)]中，發(fā)現(xiàn)了近共振增益光柵(NRGG)效應。當只有振幅調(diào)制時，在調(diào)制場和耦合場的共同作用下，衍射光被放大為探測場強度的4倍，并且主要集中在零階衍射方向。加入相位調(diào)制后，更多的能量將轉(zhuǎn)移到高階衍射方向，尤其是一階衍射效率可達95%[圖1(b)]。

　　圖1(a)N型四能級原子系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu);(b)沒有(虛線)和有(實線)相位調(diào)制下衍射強度隨sinθ 的變化

　　通常情況下，當光場的頻率與原子的躍遷頻率相同，即共振時，介質(zhì)可看成一個吸收體，對光場強吸收。課題組研究發(fā)現(xiàn)，當光場處于近共振時，隨著調(diào)制場能量(Ωm)的改變，原子介質(zhì)可以在吸收介質(zhì)和增益介質(zhì)之間連續(xù)變換。圖2(a)中被放大的曲線部分表示原子介質(zhì)是增益介質(zhì)，其他部分表示原子介質(zhì)是吸收介質(zhì)。

　　此外，對于一階、二階和三階衍射光來說，此過程中調(diào)制場存在閾值[圖2(b)]。當調(diào)制場的強度小于閾值時，幾乎沒有衍射光;當調(diào)制場的強度大于閾值時，各階衍射光的強度都會急劇增加。

　　圖2(a)探測場的虛部隨調(diào)制場拉比頻率的變化;(b)探測場的高階衍射強度隨x的變化

從圖1和圖2可以看出，利用NRGG效應可以實現(xiàn)全光開關(guān)和全光放大以及向高階方向衍射的功能。

　　之后，課題組具體研究了調(diào)制場和耦合場的能量(分別用Ωm和Ωc表示)對探測場衍射效率的影響(圖3)。從圖中可以看到，要想使能量往高階方向移動，需要將調(diào)制場的能量控制在0.28γ 到0.37γ 之間，同時增大耦合場的能量。

　　圖3 高階衍射強度隨Ωc和Ωm的變化。(a)一階衍射強度;(b)二階衍射強度;(c)三階衍射強度

　　最后，課題組研究了探測場和調(diào)制場的頻率失諧(分別用 ¤p和¤m 表示)對探測場衍射效率的影響(圖4)。在探測場和調(diào)制場近共振時，獲得了比正弦光柵衍射極限高2倍左右的衍射效率。

　　圖4 高階衍射強度隨¤p和¤m的變化。(a)一階衍射強度;(b)二階衍射強度;(c)三階衍射強度

　　總結(jié)與展望

　　研究結(jié)果表明，利用近共振增益光柵效應可以實現(xiàn)全光信息放大，在全光開關(guān)、全光路由、全光邏輯門等實際應用中具有重要的意義，有望應用于全光調(diào)控技術(shù)中。

　　全光調(diào)控作為網(wǎng)絡通信的重要基礎(chǔ)技術(shù)，它的應用和發(fā)展決定了通信網(wǎng)絡未來的前進方向。課題組未來將進一步在實驗中進行驗證，期望發(fā)現(xiàn)更多新的應用。

參考文獻：中國光學期刊網(wǎng)

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