TOPICAL REVIEWAtomic optical bistab

TOPICAL REVIEW
Atomic optical bistability in two- and three-level systems: perspectives and prospects
Amitabh Joshia* and Min Xiaob
aDepartment of Physics, Eastern Illinois University, Charleston, IL 61920, USA; bDepartment of Physics,
University of Arkansas, Fayetteville, AR 72701, USA
(Received 9 March 2010; final version received 16 April 2010)

The atomic optical bistability (AOB) in multi-level systems has advantages over the two-level system as absorption, dispersion, and nonlinear optical properties of one optical field coupled to one atomic transition can be greatly modified by other optical fields coupled to other connected nearby atomic transitions in multi-level atomic systems due to induced atomic coherences. By making use of such changes in linear and nonlinear optical properties around resonance, which are related to the electromagnetically induced transparency (EIT), it is easy to manipulate and control nonlinear optical processes in the multi-level atomic systems. We review earlier two-level AOB theory, as well as experiments and some recent studies that made use of multi-level atomic EIT systems in achieving controls of nonlinear optical processes such as instabilities and stochastic resonance associated with the coupled atom–cavity systems.
Keywords: optical bistability; coherence; stochastic resonance; noise-induced switching



1. Introduction
The phenomenon of atomic optical bistability (AOB) in two-level atoms confined in an optical cavity has been a center of attraction during the 1980s and early 1990s, due to its potential applications in all-optical switches, memories, and optical transistor-like devices [1]. Two different kinds of AOB, i.e. absorptive AOB and dispersive AOB were predicted theoretically and observed experimentally. The mechanisms of absorp- tive AOB and dispersive AOB were attributed to saturation of atomic transition and intensity-depen- dent refractive index of the media, respectively [1–3]. Several interesting works were reported in AOB of two-level atomic systems. The mean field model along with quantum statistics was utilized for studying the transmission and fluorescent spectra [4]. The analogy between AOB in two-level systems and first-order phase transition was stipulated using the fact that the diffusion coefficient of the Focker–Plank equation is intensity dependent [5]. The self-pulsing was shown in the two-level AOB analytically in the steady state [6]. The bistable states of the optical cavity output appear only for a definite range of input intensities [7] and the intensity of the upper branch of the bistable curve shows an instability behavior for some parametric conditions [8]. Experimental investigations of single- mode instability induced in the cavity field interacting with a beam of sodium atoms has been carried out.

The detailed comparisons of theoretical and experi- mental works were reported and behavior of sponta- neous output oscillations produced by such instability was pointed out [7,8]. The system of a cold atomic cloud of cesium atoms shows AOB as well as instability in which the Zeeman sublevels of the cesium atoms interact with a circularly-polarized laser beam in an optical cavity. However, there are limitations to the experiments with two-level atoms in general and to this experiment in particular because of the lack of control due to only one laser beam being employed for both optical pumping and saturation, and the optical cavity was not locked in observing AOB and instability [9].
The phenomena of electromagnetically induced transparency (EIT), dispersion and related enhance- ment of nonlinearity in multi-level atomic systems have attracted great attention over the past two decades [10–12]. This is due to the induced atomic coherence in multi-level atomic systems which modifies the linear absorption and dispersion properties. It can also enhance the nonlinear optical processes such as four- wave mixing [13,14], harmonic generation [15,16], and two-photon absorption [17]. In recent past, enhance- ment in the third-order Kerr nonlinear index of refraction (coefficient of the intensity-dependent refractive index) was experimentally measured near the EIT condition, as well as near the more general coherent population trapping (CPT) conditions in

Kết quả (Việt) 1:

ĐỀ TÀI ĐÁNH GIÁNguyên tử bistability quang trong các hệ thống hai và ba cấp độ: quan điểm và triển vọngAmitabh Joshia * và Min XiaobaDepartment vật lý, đại học Illinois Eastern, Charleston, IL 61920, USA; bDepartment vật lý,Đại học Arkansas, Fayetteville, AR 72701, Mỹ(Nhận được 9 tháng ba 2010; phiên bản cuối cùng đã nhận được 16 tháng 4 năm 2010)Nguyên tử quang học bistability (AOB) trong hệ thống đa cấp có lợi thế hơn các hệ thống hai cấp như hấp thụ, phân tán, và phi tuyến tính chất quang của một lĩnh vực quang học, cùng với một nguyên tử chuyển có thể được rất nhiều lần bởi các lĩnh vực quang học cùng với các quá trình chuyển đổi nguyên tử được kết nối gần đó trong hệ nguyên tử đa cấp do gây ra nguyên tử coherences. Bằng cách sử dụng của những thay đổi trong tuyến tính và phi tuyến tính chất quang học xung quanh cộng hưởng, mà có liên quan đến tính minh bạch electromagnetically gây ra (EIT), có thể dễ dàng thao tác và kiểm soát quá trình quang học phi tuyến trong hệ nguyên tử đa cấp. Chúng tôi xem xét trước đó lý thuyết AOB hai cấp, như cũng như các thí nghiệm và gần đây một số nghiên cứu được thực hiện sử dụng đa cấp nguyên tử EIT hệ thống để đạt được điều khiển các quá trình quang học phi tuyến như instabilities và cộng hưởng ngẫu nhiên kết hợp với các nguyên tử-khoang cùng hệ thống.Từ khóa: quang bistability; tính mạch lạc; cộng hưởng ngẫu nhiên; tiếng ồn gây ra chuyển đổi 1. giới thiệuThe phenomenon of atomic optical bistability (AOB) in two-level atoms confined in an optical cavity has been a center of attraction during the 1980s and early 1990s, due to its potential applications in all-optical switches, memories, and optical transistor-like devices [1]. Two different kinds of AOB, i.e. absorptive AOB and dispersive AOB were predicted theoretically and observed experimentally. The mechanisms of absorp- tive AOB and dispersive AOB were attributed to saturation of atomic transition and intensity-depen- dent refractive index of the media, respectively [1–3]. Several interesting works were reported in AOB of two-level atomic systems. The mean field model along with quantum statistics was utilized for studying the transmission and fluorescent spectra [4]. The analogy between AOB in two-level systems and first-order phase transition was stipulated using the fact that the diffusion coefficient of the Focker–Plank equation is intensity dependent [5]. The self-pulsing was shown in the two-level AOB analytically in the steady state [6]. The bistable states of the optical cavity output appear only for a definite range of input intensities [7] and the intensity of the upper branch of the bistable curve shows an instability behavior for some parametric conditions [8]. Experimental investigations of single- mode instability induced in the cavity field interacting with a beam of sodium atoms has been carried out. The detailed comparisons of theoretical and experi- mental works were reported and behavior of sponta- neous output oscillations produced by such instability was pointed out [7,8]. The system of a cold atomic cloud of cesium atoms shows AOB as well as instability in which the Zeeman sublevels of the cesium atoms interact with a circularly-polarized laser beam in an optical cavity. However, there are limitations to the experiments with two-level atoms in general and to this experiment in particular because of the lack of control due to only one laser beam being employed for both optical pumping and saturation, and the optical cavity was not locked in observing AOB and instability [9].The phenomena of electromagnetically induced transparency (EIT), dispersion and related enhance- ment of nonlinearity in multi-level atomic systems have attracted great attention over the past two decades [10–12]. This is due to the induced atomic coherence in multi-level atomic systems which modifies the linear absorption and dispersion properties. It can also enhance the nonlinear optical processes such as four- wave mixing [13,14], harmonic generation [15,16], and two-photon absorption [17]. In recent past, enhance- ment in the third-order Kerr nonlinear index of refraction (coefficient of the intensity-dependent refractive index) was experimentally measured near the EIT condition, as well as near the more general coherent population trapping (CPT) conditions in

Kết quả (Việt) 2:

ĐÁNH GIÁ bôi
bistability quang nguyên tử trong các hệ thống hai và ba cấp: các quan điểm và triển vọng
Amitabh Joshia * và Min Xiaob
aDepartment Vật lý, Đại học Eastern Illinois, Charleston, IL 61.920, Hoa Kỳ; bDepartment Vật lý,
Đại học Arkansas, Fayetteville, AR 72.701, USA
(Đã được 9 tháng 3 năm 2010; phiên bản cuối cùng nhận được 16 April 2010)

Các bistability quang học nguyên tử (AOB) trong các hệ thống đa cấp có lợi thế hơn các hệ thống hai cấp như hấp thụ, phân tán, và tính chất quang học phi tuyến của một lĩnh vực quang học cùng với một quá trình chuyển đổi nguyên tử có thể được thay đổi rất nhiều bởi các lĩnh vực quang học khác cùng với kết nối chuyển tiếp nguyên tử lân cận khác trong hệ nguyên tử đa cấp do coherences nguyên tử gây ra. Bằng cách sử dụng những thay đổi đó trong tính chất quang học tuyến tính và phi tuyến xung quanh cộng hưởng, trong đó có liên quan đến tính minh bạch điện từ gây ra (TNDN), nó rất dễ dàng để thao tác và kiểm soát các quá trình quang phi tuyến trong hệ nguyên tử đa cấp. Chúng tôi xem xét trước đó hai cấp lý thuyết AOB, cũng như các thí nghiệm và một số nghiên cứu gần đây đã sử dụng hệ thống thuế TNDN nguyên tử đa cấp trong việc đạt được các điều khiển các quá trình quang phi tuyến như bất ổn và cộng hưởng ngẫu nhiên kết hợp với các hệ thống nguyên tử khoang cùng.
Từ khóa : bistability quang học; sự gắn kết; cộng hưởng ngẫu nhiên; do tiếng ồn chuyển mạch 1. Giới thiệu Hiện tượng bistability quang học nguyên tử (AOB) trong nguyên tử hai cấp chỉ giới hạn trong một khoang quang đã là một trung tâm thu hút trong những năm 1980 và đầu những năm 1990, do tiềm năng ứng dụng của nó trong tất cả-quang tắc, kỷ niệm, và transistor- quang các thiết bị như [1]. Hai loại khác nhau của AOB, tức là AOB hấp thụ và phân tán AOB đã được dự đoán theo lý thuyết và quan sát thực nghiệm. Các cơ chế của AOB chính kịp thời hấp thụ và phân tán AOB là do sự bão hòa của quá trình chuyển đổi nguyên tử và chỉ số cường độ có phụ thuộc chiết suất của phương tiện truyền thông, tương ứng [1-3]. Một số tác phẩm thú vị đã được báo cáo trong AOB của hệ thống nguyên tử hai cấp. Các mô hình trường trung bình cùng với thống kê lượng tử đã được sử dụng để nghiên cứu sự truyền và phổ huỳnh quang [4]. Sự tương tự giữa AOB trong hệ thống hai cấp và giai đoạn chuyển đổi đầu tiên đặt hàng được quy định bằng cách sử dụng thực tế là hệ số khuếch tán của phương trình Focker-Plank là cường độ phụ thuộc [5]. Việc tự đập đã được thể hiện trong các AOB hai cấp phân tích trong trạng thái ổn định [6]. Các trạng thái ổn định kép của đầu ra khoang quang chỉ xuất hiện trong một phạm vi nhất định của các cường độ đầu vào [7] và cường độ của các chi nhánh trên của đường cong ổn định kép cho thấy một hành vi bất ổn đối với một số điều kiện tham số [8]. Điều tra thực nghiệm các chế độ đơn bất ổn gây ra trong lĩnh vực khoang tương tác với một chùm nguyên tử natri đã được thực hiện. Sự so sánh chi tiết các công trình tâm lý thuyết và thực nghiệm đã được báo cáo và hành vi của các dao động ra neous sponta- sản xuất bởi bất ổn như vậy cũng đã được chỉ ra [7,8]. Hệ thống của một đám mây nguyên tử lạnh của các nguyên tử caesium lãm AOB cũng như bất ổn trong đó sublevels Zeeman của các nguyên tử caesium tương tác với một chùm tia laser phân cực tròn trong một khoang quang. Tuy nhiên, có những hạn chế để các thí nghiệm với các nguyên tử hai cấp nói chung và cho thử nghiệm này đặc biệt vì việc thiếu kiểm soát do chỉ có một chùm tia laser được sử dụng cho cả hai bơm quang học và độ bão hòa, và khoang quang không bị khóa trong quan sát AOB và bất ổn [9]. các hiện tượng của sự minh bạch điện từ gây ra (TNDN), phân tán và phát Enhance- liên quan của phi tuyến trong hệ nguyên tử đa cấp đã thu hút được sự chú ý lớn trong hai thập kỷ vừa qua [10-12]. Điều này là do sự gắn kết nguyên tử gây ra trong hệ nguyên tử đa cấp mà đổi sự hấp thụ và phân tán đặc tính tuyến tính. Nó cũng có thể tăng cường các quá trình quang phi tuyến như sóng bốn trộn [13,14], hệ hài hòa [15,16], và hấp thụ hai photon [17]. Trong quá khứ gần đây, Enhance- ment trong thứ ba để Kerr chỉ số phi tuyến khúc xạ (hệ số của chỉ số khúc xạ cường độ phụ thuộc) được đo bằng thực nghiệm gần tình trạng thuế TNDN, cũng như gần các bẫy dân thống nhất tổng quát hơn (CPT) điều kiện