Стриженко С. С. Дослідження та чисельне моделювання джерел світла з квантовими властивостями на основі багаторівневих атомів

У дисертаційній роботі представлені результати досліджень кількох джерел квантового світла на основі багаторівневих атомів. По-перше, експериментально реалізовано та чисельно змодельовано джерело біфотонів на основі резонансної чотирихвильової взаємодії з використанням чотирьох рівнів рубідію-87 — двох надтонких рівнів основного стану та двох збуджених рівнів тонкої структури. Чисельне моделювання ґрунтується на описі взаємодії лазерного світла з речовиною в одновимірному оптично товстому середовищі з подвійним заломленням, що використовує формалізм матриці густини та наближення rotating wave approximation та Weißkopf-Wigner approximation. Такий підхід дозволив відтворити взаємодію багаторівневих атомів із урахуванням магнітних підрівнів кожного рівня зі світлом будь-якої поляризації та визначити просторовий розподіл і часову еволюцію як квантового стану атомів, так і комплексних амплітуд полів. Для забезпечення можливості проведення чисельного моделювання протягом реалістичного часу за використанням звичайних персональних комп’ютерів програму було оптимізовано методом напіввекторизації. Незважаючи на те, що при чисельному моделюванні використано напівкласичне наближення, за його допомогою визначено поляризаційні характеристики однофотонних полів у джерелі біфотонів на основі чотирихвильової взаємодії. По-друге, розроблену методику використано для чисельного моделювання квантового за природою явища раманівської суперфлуоресценції в трирівневій схемі в просторово неоднорідному середовищі. Її результати було використано для розробки експериментальної схеми спостереження явища раманівської суперфлуоресценції в порожнистих світловодах, що заповнені холодними атомами рубідію-87. Результати експериментальних досліджень кількісно і якісно описуються чисельним експериментом. Запропоновано просту модель явища суперфлуоресценції в неоднорідних середовищах, яка ґрунтується на концепції ефективного числа атомів, задіяних у колективному випромінюванні і пояснює всі особливості цього явища. По-третє, теоретично досліджено джерело одиночних фотонів на основі нерезонансної схеми з трирівневим атомом у одномодовому резонаторі, що складається з одного ідеального дзеркала та одного напівпрозорого. Розвинуто теорію взаємодії такого резонатора з напівнескінченним одновимірним середовищем, і на її основі показано, що така схема дозволяє простим способом створювати фотон бажаної хвильової форми за вимогою. Це досягається в певному режимі взаємодії, який забезпечує створення фотона без заселення квантового стану резонатора.