All-optical image switching in a double-Lambda system

Abstract

Laser-induced atomic coherence leads Electromagnetically Induced Transparency (EIT) which can obtain large nonlinear effects with a weak probe light. In this thesis, the phase-controlled switching effects between two incoherent probe lights in a double-lambda system were experimentally studied. Random phase noises of the probe lights could be cancelled by each other through stimulated-Raman process, and interference effect induced by one-photon and three-photon excitation paths in a double-lambda system could be used to control transmission of the two probes by controlling the relative phase between the probe and coupling fields. Using two laser systems, we obtained up to 90% of switching efficiency in a rubidium atomic vapor cell. Similar experiment was preformed for all-optical image switching in a double-lambda system between two independent laser sources. SLM was used to inscribe image on probe lights. Because optical-image was changed into the phase information by SLM, the transmittance of each pixel could be controlled by controlling the relative phase difference. Optical image covered with arbitrary phase could be recovered by the interference in a double-lambda system. Outside of the system, on the other hand, it was impossible to remove the noise. Cold atomic cloud of optical depth 60 was generated by Magneto-Optical Trap by using rectangular type anti-Helmholtz coil, temporal dark-MOT, compression by magnetic field, and additional trapping laser. With this trapped cold atomic cloud, we showed anti-correlated light switching in a magneto-optically trapped(MOT) atomic medium. A double-lambda system was formed with D1 and D2 transition lines of rubidium 85 atomic system. The experiments were conducted in two cases. At first, all laser frequencies were at a resonant of the transition line. In this case, like other previous results, we observed two probe fields were interfered symmetrically. In the second case, all laser frequencies were detuned slightly from the resonant frequencies, respectively. In this situation, absorption-transmission switching effect was dramatically changed to be asymmetrical. Also the noise correlation between two probe fields changed to anti-correlated relation. g(2)(0) was 0.5 on resonance, but g(2)(0) was -0.85 in the detuned case. Based on the experimental and calculational results, this effects were attributed to the prominent path selection effect between the two three-photon transition paths. 레이저에 의한 원자 결맞음 현상인 전자기유도투과현상을 이용하면 약한 광을 이용해 큰 비선형효과를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 두 개의 람다구조가 겹쳐진 이중람다구조에서 전자기유도투과현상을 실험적으로 관측하였다. 각 람다구조는 독립된 두 대의 레이저로 만들어져 두 조사광은 서로 결맞지 않는 상태이다. 하지만 이중람다구조에서의 유도라만 전이를 통해 레이저에서 발생하는 임의의 위상을 제거할 수 있었고, 사광파 혼합과정에서 발생하는 단광자-삼광자 여기 경로의 간섭현상으로 광들의 상대 위상차에 따라 결맞지 않는 두 조사광의 투과와 흡수를 조절할 수 있음을 확인하였다. 이 때 확인한 스위칭 효율은 70~90% 이었다. SLM에 이미지를 띄워 조사광을 반사시키면 조사광은 이미지를 구성하는 각 픽셀의 명암에 따라 다른 위상 정보를 갖게 되는데 이렇게 준비된 두 조사광을 대응하는 픽셀이 정확히 겹쳐지도록 조절해 이중람다구조에서 간섭시켰을 때 광들이 가지고 있던 위상들에 의해 픽셀 별로 투과량을 조절할 수 있음을 확인하였다. 이를 이용해 이중람다구조에서 적절하게 픽셀의 위상을 조절하면 조사광에 띄워진 이미지들과는 다른 이미지를 간섭을 통해 구현할 수 있다. 또한 광자기 포획된 냉각원자구름을 생성하였다. 직사각형 모양의 anti-Hemlholtz 코일로 타원형의 원자 구름을 만들었고 어둠상태, 자기장을 이용한 압축, 추가적인 포획광을 사용함으로써 광학적 밀도 60의 원자 구름을 생성할 수 있었다. 포획된 냉각원자를 이용해 루비듐 85원자의 D1, D2 전이선에서 이중람다구조의 전자기유도투과현상을 관측하였다. 레이저의 주파수가 원자의 공진 전이선과 같을 때와 같지 않을 때, 두 가지 경우로 나누어 실험하였을 때 일반적인 경우와 같이 모든 광이 공진주파수에 있는 경우 두 조사광의 투과-흡수 변화는 대칭적으로 발생하였지만, 네 광들이 모두 공진 주파수에서 벗어나 있는 경우 두 조사광은 비대칭적인 투과-흡수 현상을 보였다. 두 경우에서 조사광들의 잡음사이의 상관관계를 확인하였을 때, 전자의 경우 0.5정도의 g(2)(0) 값을 갖는 상관관계를 보였고, 후자의 경우 -0.85의 g(2)(0) 값을 얻어 두 조사광은 서로 반 상관관계를 갖고 있음을 실험적으로 확인하였다. 실험과 계산 결과를 바탕으로 이 현상의 원인은 공진 주파수와 차이가 생기면 두 사광파 혼합과정의 여기경로에서 대칭성이 깨지고 우월한 전이과정이 선택되는 과정이 발생하기 때문으로 설명하였다. 이러한 공진전이선이 아닌 영역에서의 광스위칭 현상은 본 연구를 통해 처음으로 밝힌 결과이다.