新奇的光现象——近共振增益光栅

庞嘉璐 董雅宾

封面文章|董雅宾,庞嘉璐,杨丽,刘瑶瑶. 原子介质中的近共振增益光栅[J]. 中国激光, 2021, 48(3): 0312002

封面解读：封面体现了原子介质中的非线性相干效应。调制场与驻波耦合场穿过原子介质后，原子介质的极化率会发生周期性变化，进而介质的折射和吸收特性会发生变化，最终可放大信号场的能量，同时实现对信号场的相位调制，提高衍射效率。

背景介绍

5G时代的到来，驱动于人们对信息传输速度不断提高的需求。现代通信系统以光网络为主，目前光网络仍处于传统通信与光纤通信相结合的阶段，存在光电转换效率低、网络带宽受限等问题。

全光网络通信，具有抗干扰性强、容量大、传输效率高等优点，已成为下一代通信系统的重要组成方式。作为全光网络核心基础，全光调控技术已被研究人员广泛关注。目前，全光调控技术主要有非线性光栅，非线性耦合器，非线性放大器等。

在原子介质中引入量子相干效应为深入研究光与原子的相互作用开辟新的途径，这为研究全光调控技术带来了新的启示。量子相干效应会产生许多新奇有趣的现象，如电磁感应透明（EIT）、相干布局俘获、无反转激光等。在Λ 型三能级原子EIT系统中，用驻波代替耦合场的行波可形成电磁感应光栅 (EIG) 效应。

与传统光栅相比，EIG 可以主动实时调控光场，能够同时实现振幅和相位的调制，可应用在量子全光开关等方面。

然而，EIG获得的衍射效率相对较小。为了提高衍射效率，研究人员提出了电磁感应相位光栅(EIPG)，其一阶衍射效率接近理想正弦相位光栅。尽管如此，EIPG的高阶衍射效率还是相对较小，探测场的能量并没有得到很好的放大。

创新研究

山西大学董雅宾副教授课题组在N型四能级原子系统[图1(a)]中，发现了近共振增益光栅（NRGG）效应。当只有振幅调制时，在调制场和耦合场的共同作用下，衍射光被放大为探测场强度的4倍，并且主要集中在零阶衍射方向。加入相位调制后，更多的能量将转移到高阶衍射方向，尤其是一阶衍射效率可达95%[图1(b)]。

图1（a）N型四能级原子系统的能级结构；（b）没有（虚线）和有（实线）相位调制下衍射强度随sinθ 的变化

通常情况下，当光场的频率与原子的跃迁频率相同，即共振时，介质可看成一个吸收体，对光场强吸收。课题组研究发现，当光场处于近共振时，随着调制场能量（Ωm）的改变，原子介质可以在吸收介质和增益介质之间连续变换。图2(a)中被放大的曲线部分表示原子介质是增益介质，其他部分表示原子介质是吸收介质。

此外，对于一阶、二阶和三阶衍射光来说，此过程中调制场存在阈值[图2(b)]。当调制场的强度小于阈值时，几乎没有衍射光；当调制场的强度大于阈值时，各阶衍射光的强度都会急剧增加。

图2（a）探测场的虚部随调制场拉比频率的变化；（b）探测场的高阶衍射强度随x的变化

从图1和图2可以看出，利用NRGG效应可以实现全光开关和全光放大以及向高阶方向衍射的功能。

之后，课题组具体研究了调制场和耦合场的能量（分别用Ωm和Ωc表示）对探测场衍射效率的影响（图3）。从图中可以看到，要想使能量往高阶方向移动，需要将调制场的能量控制在0.28γ 到0.37γ 之间，同时增大耦合场的能量。

图3 高阶衍射强度随Ωc和Ωm的变化。（a）一阶衍射强度；（b）二阶衍射强度；（c）三阶衍射强度

最后，课题组研究了探测场和调制场的频率失谐（分别用 ¤p和¤m 表示）对探测场衍射效率的影响（图4）。在探测场和调制场近共振时，获得了比正弦光栅衍射极限高2倍左右的衍射效率。

图4 高阶衍射强度随¤p和¤m的变化。（a）一阶衍射强度；（b）二阶衍射强度；（c）三阶衍射强度

总结与展望

研究结果表明，利用近共振增益光栅效应可以实现全光信息放大，在全光开关、全光路由、全光逻辑门等实际应用中具有重要的意义，有望应用于全光调控技术中。

全光调控作为网络通信的重要基础技术，它的应用和发展决定了通信网络未来的前进方向。课题组未来将进一步在实验中进行验证，期望发现更多新的应用。

课题组介绍：

原子相干操控团队隶属于山西大学物理电子工程学院，主要从事激光与物质相互作用产生各种量子相干效应，如电磁感应透明光栅、全光开关等方向的实验与理论研究。

团队负责人董雅宾副教授及其团队成员在相关领域具有多年科研工作经验，近年来在N型四能级原子、循环四能级原子、三脚架型四能级原子等多种能级结构中研究了相关的量子相干效应。团队拥有研究冷原子和热原子相干操控的平台，进行相关实验研究。目前，已在相关领域获得多项国家级项目，并获得多项国家专利，在国内外重要期刊发表多篇学术论文。