以高光學密度的超冷原子氣體研究弱光的非線性光學

Low-light-level Nonlinear Optics with High-optical-density Ultracold Atomic Gases

王文忠(Weng-Chong Wang)

指導教授 ： 陳應誠

國立清華大學/理學院/物理學系/碩士(2009年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2009.00472

摘要

在量子資訊(quantum information)中是利用波函數(wave function)當做資料傳遞、運算的媒介，而在各種可以攜帶波函數的粒子中又以光子其速度快、不易受外在電磁場影響的特性而比電子、原子或更大的粒子更為適合用來當作資訊的載子。當光子數目很少，甚至只有單光子的時候，光子的量子效應才會顯現出來，但是如此一來光強度就非常低，想要利用非線性光學效應來操控光子所攜帶的資訊就變的十分困難，所幸因為電磁波誘發透明(EIT)效應所衍生的慢光(slow light)使得低光強度的非線性光學的技術得以實現，例如：全光學開關(all-optical switching)、交錯相位調制(cross-phase modulation)、弱光的多波混合(multi-wave mixing)等等，而慢光所衍生的光儲存(light storage)亦提供了光子與原子之間交換波函數與量子態的方法。
我們實驗室主要是著力於交錯相位調制的研究，而其最終目標就是要達到弱光調制弱光的相位達到 ，而這對於原子及光子的條件卻極為嚴苛：原子的光學密度要達到1000以上的等級(一般磁光陷阱的光學密度卻只可以達到數十)、光需聚焦至 的等級(相當接近波長)，且為了讓光強不至於降低過多還需要wave guide的效應。我們是利用改變磁光陷阱中的原子團形狀試圖提高光學密度，並在這種狀況之下進行電磁波誘發透明、慢光的實驗。我們EIT的吸收區可廣達12MHz，而透明窗口僅有200KHz，此狀況下進行的慢光實驗可以將通過原子團的光延遲10us。在這之中我們亦建立了”拉莫進動導致法拉第偏極旋轉”這項靈敏且可以快速得知原子團中磁場狀況的系統，而此系統亦幫助我們將原子團中的磁場補償至6mG以下的程度。另外我們亦已經想出一種可在單一種類原子之下進行double EIT來實現XPM的辦法，並已經開始著手架設實驗，而在目前階段已經可以看到兩組穩定的EIT光譜。

關鍵字

冷原子 ； 非線性光學 ； 量子資訊

參考文獻

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