光学耦合腔的类电磁感应透明情况研究

2017-02-17安徽大学物理与材料科学学院隽若瑜

电子世界 2017年2期

安徽大学物理与材料科学学院隽若瑜

光学耦合腔的类电磁感应透明情况研究

安徽大学物理与材料科学学院隽若瑜

电磁感应透明是在光与原子相互作用的情况下，由量子干涉产生的，并且通过吸收介质与外加磁场方式改变介质对某种光的吸收系数，进而增加透过率，降低吸收现象。因此经过经典的干涉能够观察到类电磁感应透明的情况。本文将利用电容耦合RLC电路对电源信号源的频率进行改造，观察出经典干涉所产生的类电磁感应透明现象，进而为原子系统中的量子干涉现象研究提供重要的理论依据。

光学耦合腔；类电磁感应透明；RLC电路；研究

近年来随着研究的不断深入，量子干涉效应成为物理学界研究的重点问题之一，并且很多的物理现象都是在量子光学和原子物理领域产生的，如电磁感应透明以及吸收等。电磁感应透明能够通过介质的极化率发生较大的变化，进而产生较多的光学特性。原子中的电磁感应透明效应由量子干涉产生，并且随着人们研究的不断深入通过EIT现象可以产生。本文采用实验的方式设立不同波长的耦合腔，选择不同透射率的腔镜，实现不同的模式匹配，进而观察类电磁感应透明现象。

1.电磁感应透明基本理论

电磁感应透明（EIT）的本质是一种量子干涉效应，也就是在原子、离子、分子这些粒子在相干电磁场缀饰的系统中产生了相消干涉效应。也就是说某一个介质强烈的吸收某一种光源，当光源再次被介质吸收时，介质就会对第一束光产生敏感效应，甚至不再吸收，将吸收变为透明，这种现象就是电磁感应透明，也称之为EIT。电磁感应透明效应不仅能够减弱吸收，还能够具有较高的透明率。具有零吸收和高色散的效果。其基本模型主要分为三种：Λ型、V型和梯形结构。

图1 二能级原子系统

1.1 光与原子相互作用的基本理论

在量子光学的范围内，通常采用半经典理论和全量子理论处理光与物质之间的相互作用。在半经典理论中，光波场做出经典的处理，描述的方法为麦克斯韦方程。而采用薛定谔方程描述量子化的原子或者分子系统。在全量子理论中，光场和物质同时发生量子化，运动的规律遵循着薛定谔方程。如果涉及到真空辐射场导致的自发辐射时往往需要采用圈量子理论分析。如图1所示的一个二能级原子系统，与一个圆频率为v的单模辐射场，将原子的上下能态表示为∣a＞和∣b＞。那么光与原子的相互作用可以采用哈密顿量表示为：

其中H0表示为哈密顿量，H1表示为与原子相互作用的哈密顿量。而∣a＞和∣b＞表示为哈密顿量的本征态，其方程表示为：

运用完备的哈密顿量可以写成为：

假设光场是x方向的偏振，在偶极近似的情况下，光场为：

假设初始时原子处于能级∣b＞，那么ca(0）=0，cb(0)=1，按照方程的解答式子可以将原子的波函数设为：

由此可以看出在共振条件下，原子布居是频率为Ω/2的正弦振荡。

1.2 暗态

电磁感应透明是在量子干涉的情况下，核心思想是探测光和控制光与三能级原子之间发生相互的耦合作用，适当的调节两个光场的强度，这样就能够稳定原子稳定的两个叠加态上，叠加态就称暗态。暗态是体系相互作用哈密顿量的一个本征态，不包含激发量。光在介质中

传播会发生衰减的趋势，主要是原子从高能状态向低能状态转化的结果。因为暗态不包含高激发态，因此衰减趋势非常小，并且直接可以忽略。另外电磁感应透明要求控制光远远强于探测光，这使得介质对探测光的色散性主要由耦合的强度决定，因此诱导透明主要分为两个方面的因素，一个方面是零吸收的色散，一个方面是控制光介质的色散性质。

2.实验研究

本文在电容耦合RLC电路中分析类电磁感应透明现象，采用Λ型和倒Y型模型研究类电磁感应现象。

2.1 实验过程

为了方便研究的直观性，本研究制作出图2的测量电路。在图中虚框内表示被测电路，将SR830作为信号源，其能够产生较为精确的正弦信号，信号为1～2knz，幅度为0.2v。通过一个电压跟随器耦合进行信号的输入，进而连接到被测的电路中，电压跟随器的主要作用是分离被测的电路以及信号源，减少两者之间的互相干扰。主要目的是通过将信号源传输到功率的变化上来。通过感应电流测量一个电压。首先从电压跟随器将感应电流两端的电压信号输出，随后通过电路之间的积分，按照信号输出的大小确定电流的电路。由于信号为正弦信号，因此采用的是正弦积分，进而将信号输出的频率进行更正。在示波器上显示出不同频率的电压值，进而得到所要知道的电流的大小。因此痛信号源输入的回路中可以看到回路的电流，也就是测量到的电压值。

图2 实验电路图

2.2 实验结果

分别测量图（a）、（b）以及（c）中的电路，得出信号的输入情况以及回路1的电流频率的变化幅度，进而找出一个与电流成正比的电压值，得到电压与频率之间的关系曲线图。

2．2．1 模拟Λ型原子系统的实验结果

在图（a1）和（a3）中虚线表示开关打开，显示出一个回路，一旦开关出现闭合的情况，两个回路会出现耦合的情况，在（b1）和（b3）中实心线是开关打开，虚心线表示开关处于闭合的状态。理论计算得到C1=C3=100nF,L1=L2=1MH,R1=51Ω，可以看出当开关闭合时处于共振的频率当中，此时的电流量较大，信号在RLC电路中输入的回路也较大。其中电容值呈现出明显的不同。随着共振频率的增大，CAP的值逐渐呈现出降低的趋势。开关闭合的状态下，两个回路出现了相互的干涉状态，进而导致出现共振频率的位置吸收回路的信号，进而降低信号的程度。类电磁感应透明系统中，如果出现了光耦合的现象，那么原子对共振探测光的吸收变降低，直接变为透明，可以看出耦合电容大小与电流的大小是成正比的。电容越大，那么峰分开就越大。电容越小，峰分开就越小。说明了两个回路之间的耦合就会变得较强。但是在实验结果中显示出来的峰线比较宽，也与谐振具有相同的品质有很大的关系。另外实验中出现两个峰值不对称的情况，主要是由于测量电路存在着一定的宽带，是不同信号频率放大产生的结果。

图3 Λ型原子系统的实验结果

针对图3中的电路，将回路2的电容大小进行改变。电路的各个频率显示中，C1为100nf,L1为1mh，R1=51Ω，也就是改变了回路2 的共振频率。在模拟原子系统中，改变耦合光失谐的效果，就能够出现失谐的状态，因此在EIT中也会出现失谐现象，并且失谐改变，方向也会发生改变。

2．2．2 模拟倒Y型原子系统的实验结果

一旦回路2和3共同出现共振频率现象，那么就能够出现减弱的凹陷。主要原因是电磁感应透明窗口出现了重合的现象。将回路3 的频率改变，可以得到一个控制光失谐的现象，也可以看到产生了两个控制光失谐的现象，两个窗口也就分开的越大。如果光失谐变为0，那么一个电磁感应透明窗口就成为了低频度的方向，如果失谐失去效应，那么会移动到高频的方向。

2．2．3 模拟N型原子系统的实验结果

通过改变三网孔电路图中的类电磁感应透明现象模拟N型原子系统，可以发现，当回路2和回路1发生了耦合现象，那么就会受到回路3的作用，产生较为复杂的干涉信号，在这样的情况下，控制光作用到耦合光上，一旦回路3产生失谐效果，将会造成失谐减少，观察到两个电磁感应透明窗口，如图b2所示。一旦回路3为0，那么处于共振频率当中，透明窗口吸收了，回路3失谐变为0，那么电磁感应透明窗口出现高频方向的移动，那么就出现了探测光的相位。