26、量子光学中拉曼散射与原子自旋激发的研究进展

量子光学中拉曼散射与原子自旋激发的研究进展

1. 引言

在过去二十年里,随着量子光学和精密测量的快速发展,由于原子能级的长寿命特性,原子系综中的拉曼散射受到了广泛研究。除了传统的拉曼散射过程(如自发过程),还发展出了几种新型的拉曼散射,如增强拉曼散射和相位相关拉曼散射。

2. 原子自旋激发

当相干电磁场通过拉曼散射耦合原子的两个能级时,会在这两个能级之间建立确定的相位关系,可表示为两个原子能级的相干叠加态。
- 对于单个原子,在图 2.40 所示的三能级原子中,相干叠加态可写为 $|\psi\rangle = \cos\theta|g\rangle + e^{i\phi}\sin\theta|m\rangle$。
- 对于原子系综,可写为 $\hat{S}_a = \frac{1}{\sqrt{N_a}}\sum_i |g\rangle_i\langle m|$。

当处于 $|m\rangle$ 态的原子较少时,通常称为原子自旋波,这与铁磁体中的自旋激发类似;当处于 $|m\rangle$ 态的原子较多时,则称为原子相干。原子自旋激发能极大地影响原子系综对光场的吸收和散射行为,揭示了许多新的物理现象,包括 Hanle 效应、量子拍、量子回波、电磁诱导透明(EIT)、电磁诱导吸收等,还能显著提高光与原子系统之间的耦合强度以及信噪比(SNR)。

原子自旋激发的制备大多通过拉曼散射、受激绝热拉曼通道(STIRAP)或 EIT 实现。这里重点关注拉曼散射,因为它与 STIRAP 和 EIT 有很大区别。STIRAP 和 EIT 需要两个光场同时与原子系综相互作用,将其中一个光场转换为原子自旋激发,并且在原子自旋激发产生时,相

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