电磁感应透明（讲稿）Electromagnetically induced transparency

电磁感应透明(Electromagneticallyinduced transparency,甘天奕 刘雨轩黄礼鸿

电磁感应透明 (Electromagnetically induced transparency) 甘天奕 刘雨轩 黄礼鸿 1

目录·EIT简介·EIT理论1.原子体系推导2.光学体系推导·EIT应用1.无反转激光2.光延迟与光储存3.生物传感器（biosensor）2

目录 • EIT简介 • EIT理论 1.原子体系推导 2.光学体系推导 • EIT应用 1.无反转激光 2.光延迟与光储存 3.生物传感器（biosensor) 2

EIT简介EIT即electromagnetic1.2(a)222=2F3induced transparency，个人1.0认为更好的翻译是“电磁致介Clicur preuion0.8质透明化”。其物理图像简单0.6来说，是利用外加电磁场控制0.4材料的光响应特性（optical0.2response），从而在满足一定0.0条件时实现对特定波段透射率的显著提升。这一现象最早由Harris SE, Field JE,Imamoglu A.Nonlinear opticalprocessesusingelectromagneticallyinducedHarris和Imamoglu在理论上提transparency.PhysRevLett1990;64:1107.出，并且在1991年首次在锶原子的三能级体系上观测到。3

EIT简介 3 Harris SE, Field JE,Imamoglu A. Nonlinear optical processes using electromagnetically induced transparency. Phys Rev Lett 1990;64:1107. EIT即electromagnetic induced transparency，个人 认为更好的翻译是“电磁致介 质透明化”。其物理图像简单 来说，是利用外加电磁场控制 材料的光响应特性(optical response)，从而在满足一定 条件时实现对特定波段透射率 的显著提升。这一现象最早由 Harris和Imamoglu在理论上提 出，并且在1991年首次在锶原 子的三能级体系上观测到

EIT简介4d5d[51356][45926]570.3nmA.最早观测到EIT的是在锶的入p=337.1nm4d5p5s5p到4d5d跃迁，从透射谱[33827]可以清晰的看出，在加上对5s5p1P应于4d5p到4d5d跃迁的调制[21698]激光时，在本该被吸收的NOISSINSN337.1nm透射谱线上出现一尖峰Theory0.0-2oPROBELASERDETUNING(Cm-1)BollerKJ,ImamogluA,HarrisSE.Observationofelectromagneticallyinducedtransparency.PhysRevLett1991;66:2593.4

EIT简介 4 Boller KJ, Imamoglu A,Harris SE. Observation of electromagnetically induced transparency. Phys Rev Lett 1991;66:2593. 最早观测到EIT的是在锶的 5s5p到4d5d跃迁，从透射谱 可以清晰的看出，在加上对 应于4d5p到4d5d跃迁的调制 激光时，在本该被吸收的 337.1nm透射谱线上出现一 尖峰

EIT简介近年在光学体系中，利用微腔W模式与光场的作用，可以模拟原子体系的三能级系统，同样0.80.6也观测到EIT现象。利用共振0.4n0.2吸收被消除时的粒子/光场分布EIT有许多光学上的应用。()3002001000100200300Frequencydetuning (MHz)TotsukaK,KobayashiN,TomitaM.Slow light incoupled-resonator-induced transparency.Phys Rev Lett2007;98:2139045

EIT简介 5 Totsuka K, Kobayashi N,Tomita M. Slow light in coupled-resonator-induced transparency. Phys Rev Lett 2007;98:213904. 近年在光学体系中，利用微腔 模式与光场的作用，可以模拟 原子体系的三能级系统，同样 也观测到EIT现象。利用共振 吸收被消除时的粒子/光场分 布EIT有许多光学上的应用

EIT理论（原子体系）Excitedstate[3)在原子体系中用bare-stateControl三能级体系推导EIT，probeProbe[2)为探测场，control为控制Metastablestate场一般远强于探测场。[1)GroundstateLiuYC,LiBB,XiaoYF.ElectromagneticallyinducedtransparencyinopticalmicrocavitiesNanophotonics,2017;6(5):789-8116

EIT理论（原子体系） 6 在原子体系中用bare-state 三能级体系推导EIT，probe 为探测场，control为控制 场一般远强于探测场。 Liu Y C , Li B B , Xiao Y F . Electromagnetically induced transparency in optical microcavities. Nanophotonics,2017;6(5): 789–811

EIT理论（原子体系）在近似下可以得到体系的有效哈密顿量2HExcited state[3]+(2,032 +2,031+ H.c),ControlProbe在薛定绘景中求解各态概率Metastablestate[1Ground stateLiuYC,LiBB,XiaoYF.Electromagneticallyinduced transparency in optical microcavitiesNanophotonics,2017;6(5):789-811i.c

EIT理论（原子体系） 7 在近似下可以得到体系的有效哈密顿量 在薛定谔绘景中求解各态概率 Liu Y C , Li B B , Xiao Y F . Electromagnetically induced transparency in optical microcavities. Nanophotonics,2017;6(5): 789–811

EIT理论（原子体系）假设处于基态的概率为1，可得稳态解iD2.12T22可以看出，在有控制场2.时原子处于激发态的概率降低，意味着吸收的减弱，对应于一个透明窗口。8

EIT理论（原子体系） 8 假设处于基态的概率为1，可得稳态解 可以看出，在有控制场Ω𝑐时原子处于 激发态的概率降低，意味着吸收的减 弱，对应于一个透明窗口

EIT理论（原子体系）1.2a=2F329利用原子体系的吸收与跃迁有P=Nμ13C*ipe0.8对比P=0XE可得×=Nμ13C*/E0.6o0.4NM130.2A2(A,A2 -[0.2 . [2) + [2(A,5, + 4F+7&,h0.0.6(b)0223=2T30.4Nμ13A0.2(A,F, +A,[)2(A.A)po2/uz0.0,h20.20.40.6232(A,F + A27,)2 + (A,A, -|2 272-(0 0)/(F3/2)Harris SE,Field JE,Kasapi A.Dispersiveproperties of electromagnetically inducedtransparency.Phys.Rev.A46,R29(R)9

EIT理论（原子体系） 9 利用原子体系的吸收与跃迁有P=𝑁𝜇13𝑐3 ∗ 对比P=𝜀0𝜒𝐸可得𝜒 = 𝑁𝜇13𝑐3 ∗ /𝜀0𝐸 3       2 ' 13 2 2 3 2 2 1 2 c 1 2 2 0 N μ 1 Γ Γ Γ χ = Δ (Δ Δ - Ω - )+ (Δ Γ + Δ Γ ) ε Z 4 4 3       2 '' 13 2 2 2 2 3 1 2 2 1 2 c 0 N μ 1 Δ Γ Γ Γ χ = (Δ Γ + Δ Γ )- (Δ Δ - Ω - ) ε Z 2 2 4 2 3 2 2 2 2 3 1 2 2 1 2 c 1 Γ Γ Z = (Δ Γ + Δ Γ ) +(Δ Δ - Ω - ) 4 4 Harris SE, Field JE, Kasapi A. Dispersive properties of electromagnetically induced transparency. Phys. Rev. A 46, R29(R)

EIT理论（光学体系）在光学体系中，我们利用光场模代替原子能级，因此将原子态替换为光场的产生潼灭算符，有效哈密顿量为-4,-1冶Hef=-△Fa2+J(aa, +a,a)+(Q,a +H.c.),同样可得场演化方程Inputa,-ija,-iQ,万1LiuYC,LiBB,XiaoYF.Electromagneticallyinducedtransparencyin optical microcavities.个Nanophotonics,2017;6(5):789811iOa10-210

EIT理论（光学体系） 10 在光学体系中，我们利用光场模代替 原子能级，因此将原子态替换为光场 的产生湮灭算符，有效哈密顿量为 Liu Y C , Li B B , Xiao Y F . Electromagnetically induced transparency in optical microcavities. Nanophotonics,2017;6(5): 789–811 同样可得场演化方程