Abstract

We have observed optical phase-conjugate gain (>50) in sodium vapor, using low-intensity pump lasers (1 W/cm2), with a response time of the order of 1 μs. Coherent population trapping is experimentally identified as the phase-conjugate mechanism. A theoretical model is presented that supports these observations by showing that coherent population trapping can write large-amplitude nonlinear-optical gratings at laser intensities well below those needed to saturate the optical transitions.

© 1995 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. For a review of OPC see, for example,R. A. Fisher, ed., Optical Phase Conjugation (Academic, New York, 1983).
  2. C. J. Gaeta, J. F. Lam, R. C. Lind, Opt. Lett. 14, 245 (1989).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. C. J. Gaeta, D. M. Pepper, Opt. Lett. 16, 802 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Lett. 16, 1071 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. P. F. Liao, D. M. Bloom, N. P. Economou, Appl. Phys. Lett. 32, 813 (1978).
    [CrossRef]
  6. M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Commun. 81, 403 (1991).
    [CrossRef]
  7. J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
    [CrossRef]
  8. I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
    [CrossRef]
  9. G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
    [CrossRef]
  10. H. R. Gray, R. M. Whitley, C. R. Stroud, Opt. Lett. 3, 218 (1978).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. P. M. Radmore, P. L. Knight, J. Phys. B 15, 3405 (1982).
    [CrossRef]
  12. J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, J. S. Kane, P. R. Hemmer, Opt. Lett. 16, 1313 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. E. E. Fill, M. O. Scully, S.-Y. Zhu, Opt. Commun. 77, 36 (1990); O. A. Kocharovskaya, F. Mauri, E. Arimondo, Opt. Commun. 84, 393 (1991).
    [CrossRef]
  14. R. J. Knize, Opt. Lett. 17, 244 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. M. Schiffer, E. Cruse, W. Lange, Phys. Rev. A 49, R3178 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
    [CrossRef]
  17. This is reminiscent of electromagnetically induced transparency with matched pulses; see, for example,S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  18. J. Donoghue, P. R. Hemmer, M. S. Shahriar, M. Cronin-Golomb, in Annual Meeting, Vol. 16 of 1993 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1993), p. 180.
  19. J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
    [CrossRef]
  20. M. Poelker, P. Kumar, Opt. Lett. 17, 399 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  21. M. Poelker, P. Kumar, S. T. Ho, Opt. Lett. 16, 1853 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  22. P. Kumar, J. H. Shapiro, Opt. Lett. 10, 226 (1985).
    [CrossRef] [PubMed]

1994 (2)

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

M. Schiffer, E. Cruse, W. Lange, Phys. Rev. A 49, R3178 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

This is reminiscent of electromagnetically induced transparency with matched pulses; see, for example,S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1992 (2)

1991 (5)

1990 (1)

E. E. Fill, M. O. Scully, S.-Y. Zhu, Opt. Commun. 77, 36 (1990); O. A. Kocharovskaya, F. Mauri, E. Arimondo, Opt. Commun. 84, 393 (1991).
[CrossRef]

1989 (1)

1986 (2)

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

1985 (1)

1982 (2)

P. M. Radmore, P. L. Knight, J. Phys. B 15, 3405 (1982).
[CrossRef]

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

1978 (2)

H. R. Gray, R. M. Whitley, C. R. Stroud, Opt. Lett. 3, 218 (1978).
[CrossRef] [PubMed]

P. F. Liao, D. M. Bloom, N. P. Economou, Appl. Phys. Lett. 32, 813 (1978).
[CrossRef]

1976 (1)

G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
[CrossRef]

Ai, B.

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

Alzetta, G.

G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
[CrossRef]

Barnett, S. M.

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

Biaggio, I.

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

Bloch, D.

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

Bloom, D. M.

P. F. Liao, D. M. Bloom, N. P. Economou, Appl. Phys. Lett. 32, 813 (1978).
[CrossRef]

Buckle, S. J.

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

Cronin-Golomb, M.

J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, J. S. Kane, P. R. Hemmer, Opt. Lett. 16, 1313 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

J. Donoghue, P. R. Hemmer, M. S. Shahriar, M. Cronin-Golomb, in Annual Meeting, Vol. 16 of 1993 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1993), p. 180.

Cruse, E.

M. Schiffer, E. Cruse, W. Lange, Phys. Rev. A 49, R3178 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Donoghue, J.

J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, J. S. Kane, P. R. Hemmer, Opt. Lett. 16, 1313 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

J. Donoghue, P. R. Hemmer, M. S. Shahriar, M. Cronin-Golomb, in Annual Meeting, Vol. 16 of 1993 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1993), p. 180.

Ducloy, M.

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

Economou, N. P.

P. F. Liao, D. M. Bloom, N. P. Economou, Appl. Phys. Lett. 32, 813 (1978).
[CrossRef]

Ezekiel, S.

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

Fill, E. E.

E. E. Fill, M. O. Scully, S.-Y. Zhu, Opt. Commun. 77, 36 (1990); O. A. Kocharovskaya, F. Mauri, E. Arimondo, Opt. Commun. 84, 393 (1991).
[CrossRef]

Gaeta, C. J.

Gozzini, A.

G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
[CrossRef]

Gray, H. R.

Grynberg, G.

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Lett. 16, 1071 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Commun. 81, 403 (1991).
[CrossRef]

Harris, S. E.

This is reminiscent of electromagnetically induced transparency with matched pulses; see, for example,S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Hellwarth, R. W.

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

Hemmer, P. R.

J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, J. S. Kane, P. R. Hemmer, Opt. Lett. 16, 1313 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

J. Donoghue, P. R. Hemmer, M. S. Shahriar, M. Cronin-Golomb, in Annual Meeting, Vol. 16 of 1993 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1993), p. 180.

Ho, S. T.

Kane, J. S.

Knight, P. L.

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

P. M. Radmore, P. L. Knight, J. Phys. B 15, 3405 (1982).
[CrossRef]

Knize, R. J.

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

R. J. Knize, Opt. Lett. 17, 244 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Kumar, P.

Lam, J. F.

Lange, W.

M. Schiffer, E. Cruse, W. Lange, Phys. Rev. A 49, R3178 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Lauder, M. A.

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

Le Boiteux, S.

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

Leiby, C. C.

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

Leite, J. R. R.

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

Liao, P. F.

P. F. Liao, D. M. Bloom, N. P. Economou, Appl. Phys. Lett. 32, 813 (1978).
[CrossRef]

Lind, R. C.

Moi, L.

G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
[CrossRef]

Orriols, G.

G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
[CrossRef]

Partanen, J. P.

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

Pegg, D. T.

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

Pepper, D. M.

Picard, R. H.

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

Pinard, M.

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Lett. 16, 1071 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Commun. 81, 403 (1991).
[CrossRef]

Poelker, M.

Radmore, P. M.

P. M. Radmore, P. L. Knight, J. Phys. B 15, 3405 (1982).
[CrossRef]

Schiffer, M.

M. Schiffer, E. Cruse, W. Lange, Phys. Rev. A 49, R3178 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Scully, M. O.

E. E. Fill, M. O. Scully, S.-Y. Zhu, Opt. Commun. 77, 36 (1990); O. A. Kocharovskaya, F. Mauri, E. Arimondo, Opt. Commun. 84, 393 (1991).
[CrossRef]

Shahriar, M. S.

J. Donoghue, P. R. Hemmer, M. S. Shahriar, M. Cronin-Golomb, in Annual Meeting, Vol. 16 of 1993 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1993), p. 180.

Shapiro, J. H.

Simoneau, P.

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

Stroud, C. R.

Thomas, J. E.

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

Vallet, M.

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Lett. 16, 1071 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Commun. 81, 403 (1991).
[CrossRef]

Whitley, R. M.

Willis, C. R.

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

Zhu, S.-Y.

E. E. Fill, M. O. Scully, S.-Y. Zhu, Opt. Commun. 77, 36 (1990); O. A. Kocharovskaya, F. Mauri, E. Arimondo, Opt. Commun. 84, 393 (1991).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

P. F. Liao, D. M. Bloom, N. P. Economou, Appl. Phys. Lett. 32, 813 (1978).
[CrossRef]

Europhys. Lett. (1)

J. R. R. Leite, P. Simoneau, D. Bloch, S. Le Boiteux, M. Ducloy, Europhys. Lett. 2, 747 (1986).
[CrossRef]

J. Phys. B (1)

P. M. Radmore, P. L. Knight, J. Phys. B 15, 3405 (1982).
[CrossRef]

Nature (1)

I. Biaggio, J. P. Partanen, B. Ai, R. J. Knize, R. W. Hellwarth, Nature (London) 371, 318 (1994).
[CrossRef]

Nuovo Cimento B (1)

G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orriols, Nuovo Cimento B 36, 5 (1976).
[CrossRef]

Opt. Acta (1)

S. J. Buckle, S. M. Barnett, P. L. Knight, M. A. Lauder, D. T. PeggOpt. Acta 33, 1129 (1986).
[CrossRef]

Opt. Commun. (2)

E. E. Fill, M. O. Scully, S.-Y. Zhu, Opt. Commun. 77, 36 (1990); O. A. Kocharovskaya, F. Mauri, E. Arimondo, Opt. Commun. 84, 393 (1991).
[CrossRef]

M. Vallet, M. Pinard, G. Grynberg, Opt. Commun. 81, 403 (1991).
[CrossRef]

Opt. Lett. (9)

Phys. Rev. A (1)

M. Schiffer, E. Cruse, W. Lange, Phys. Rev. A 49, R3178 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. Lett. (2)

This is reminiscent of electromagnetically induced transparency with matched pulses; see, for example,S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

J. E. Thomas, P. R. Hemmer, S. Ezekiel, C. C. Leiby, R. H. Picard, C. R. Willis, Phys. Rev. Lett. 48, 867 (1982)
[CrossRef]

Other (2)

For a review of OPC see, for example,R. A. Fisher, ed., Optical Phase Conjugation (Academic, New York, 1983).

J. Donoghue, P. R. Hemmer, M. S. Shahriar, M. Cronin-Golomb, in Annual Meeting, Vol. 16 of 1993 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1993), p. 180.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Schematic of the four-level double-Λ system. (b) Corresponding four-wave mixing geometry.

Fig. 2
Fig. 2

Schematic of the experimental setup. Laser beam S is derived from F with an acoustic-optic modulator (A/O) driven with a stable rf source.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Signal gain T and phase-conjugate gain R versus laser F frequency. The frequency scale is labeled by the transition frequencies corresponding to the F = 1 and F = 2 ground-state hyperfine components. (b) Phase-conjugate gain R versus rf frequency driving the acousto-optic modulator.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

- = 1 Ω S F [ Ω S exp ( i k S · r ) a - Ω F exp ( i k F · r ) b ] ,
ρ a b = - Ω S Ω F * Ω S F 2 exp [ i ( k S - k F ) · r ] ,

Metrics