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