Abstract

We report an experimental observation of the enhancement of nondegenerate four-wave mixing (NDFWM) based on electromagnetically induced transparency (EIT) in a lambda-type three-level system of rubidium atoms. We measured both the linear susceptibility Im χD(1) (absorption) and the third-order nonlinear coefficient χD(3) separately for the NDFWM process at a low atomic density. We found that, owing to the EIT effect, the linear absorption term Im χD(1) is greatly reduced, while the nonlinear generation term χD(3) is resonantly enhanced, permitting us to observe a significant enhancement of the NDFWM signal in an optically dense medium.

© 1996 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. K. J. Boller, A. Imamoglu, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991); J. E. Field, K. H. Hahn, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. K. Hakuta, L. Marmet, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 66, 596 (1991); G. Z. Zhang, K. Hakuta, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 71, 3099 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R1754 (1995); M. Xiao, Y. Q. Li, S. Z. Jin, J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. Lett. 74, 666 (1995);J. Gea-Banacloche, Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 576 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R2703 (1995); Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 4959 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 64, 1107 (1990); M. Jean, G. Y. Yin, J. E. Field, S. E. Harris, Opt. Lett. 18, 998 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993); J. H. Eberly, M. L. Pons, H. R. Haq, Phys. Rev. Lett. 72, 56 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. K. M. Gheri, D. F. Walls, Phys. Rev. A 49, 4134 (1994); M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 72, 989 (1994);G. S. Agarwal, Phys. Rev. Lett. 71, 1351 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. P. R. Hemmer, D. P. Katz, J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, M. S. Shahriar, P. Kumar, Opt. Lett. 20, 982 (1995); J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, J. S. Kane, P. R. Hemmer, Opt. Lett. 16, 1313 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
    [CrossRef]
  11. R. E. Slusher, B. Yurke, P. Grangier, A. LaPorta, D. F. Walls, M. D. Reid, J. Opt. Soc. Am. B 4, 1453 (1987).
    [CrossRef]

1995 (4)

Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R1754 (1995); M. Xiao, Y. Q. Li, S. Z. Jin, J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. Lett. 74, 666 (1995);J. Gea-Banacloche, Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 576 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R2703 (1995); Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 4959 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

P. R. Hemmer, D. P. Katz, J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, M. S. Shahriar, P. Kumar, Opt. Lett. 20, 982 (1995); J. Donoghue, M. Cronin-Golomb, J. S. Kane, P. R. Hemmer, Opt. Lett. 16, 1313 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

1994 (1)

K. M. Gheri, D. F. Walls, Phys. Rev. A 49, 4134 (1994); M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 72, 989 (1994);G. S. Agarwal, Phys. Rev. Lett. 71, 1351 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993); J. H. Eberly, M. L. Pons, H. R. Haq, Phys. Rev. Lett. 72, 56 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1991 (2)

K. J. Boller, A. Imamoglu, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991); J. E. Field, K. H. Hahn, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

K. Hakuta, L. Marmet, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 66, 596 (1991); G. Z. Zhang, K. Hakuta, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 71, 3099 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1990 (1)

S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 64, 1107 (1990); M. Jean, G. Y. Yin, J. E. Field, S. E. Harris, Opt. Lett. 18, 998 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1987 (1)

1982 (1)

S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
[CrossRef]

Boller, K. J.

K. J. Boller, A. Imamoglu, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991); J. E. Field, K. H. Hahn, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Cronin-Golomb, M.

Donoghue, J.

Field, J. E.

S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 64, 1107 (1990); M. Jean, G. Y. Yin, J. E. Field, S. E. Harris, Opt. Lett. 18, 998 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Gheri, K. M.

K. M. Gheri, D. F. Walls, Phys. Rev. A 49, 4134 (1994); M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 72, 989 (1994);G. S. Agarwal, Phys. Rev. Lett. 71, 1351 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Grangier, P.

Hakuta, K.

K. Hakuta, L. Marmet, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 66, 596 (1991); G. Z. Zhang, K. Hakuta, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 71, 3099 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Harris, S. E.

S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993); J. H. Eberly, M. L. Pons, H. R. Haq, Phys. Rev. Lett. 72, 56 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

K. J. Boller, A. Imamoglu, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991); J. E. Field, K. H. Hahn, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 64, 1107 (1990); M. Jean, G. Y. Yin, J. E. Field, S. E. Harris, Opt. Lett. 18, 998 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Hemmer, P. R.

Hollberg, L.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Imamoglu, A.

K. J. Boller, A. Imamoglu, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991); J. E. Field, K. H. Hahn, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 64, 1107 (1990); M. Jean, G. Y. Yin, J. E. Field, S. E. Harris, Opt. Lett. 18, 998 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Ito, M.

S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
[CrossRef]

Jin, S. Z.

Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R1754 (1995); M. Xiao, Y. Q. Li, S. Z. Jin, J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. Lett. 74, 666 (1995);J. Gea-Banacloche, Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 576 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Katz, D. P.

Kimura, T.

S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
[CrossRef]

Kobayashi, S.

S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
[CrossRef]

Kumar, P.

LaPorta, A.

Li, Y. Q.

Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R1754 (1995); M. Xiao, Y. Q. Li, S. Z. Jin, J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. Lett. 74, 666 (1995);J. Gea-Banacloche, Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 576 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R2703 (1995); Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 4959 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Lukin, M. D.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Marmet, L.

K. Hakuta, L. Marmet, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 66, 596 (1991); G. Z. Zhang, K. Hakuta, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 71, 3099 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Nikonov, D. E.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Reid, M. D.

Robinson, H. G.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Scully, M. O.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Shahriar, M. S.

Slusher, R. E.

Stoicheff, B. P.

K. Hakuta, L. Marmet, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 66, 596 (1991); G. Z. Zhang, K. Hakuta, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 71, 3099 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Velichangly, V. L.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Walls, D. F.

K. M. Gheri, D. F. Walls, Phys. Rev. A 49, 4134 (1994); M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 72, 989 (1994);G. S. Agarwal, Phys. Rev. Lett. 71, 1351 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

R. E. Slusher, B. Yurke, P. Grangier, A. LaPorta, D. F. Walls, M. D. Reid, J. Opt. Soc. Am. B 4, 1453 (1987).
[CrossRef]

Xiao, M.

Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R2703 (1995); Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 4959 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R1754 (1995); M. Xiao, Y. Q. Li, S. Z. Jin, J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. Lett. 74, 666 (1995);J. Gea-Banacloche, Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 576 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Yamamoto, Y.

S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
[CrossRef]

Yurke, B.

Zibrov, A. S.

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 582 (1982); S. Saito, O. Nilsson, Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. QE-18, 961 (1982).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. A (3)

K. M. Gheri, D. F. Walls, Phys. Rev. A 49, 4134 (1994); M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 72, 989 (1994);G. S. Agarwal, Phys. Rev. Lett. 71, 1351 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R1754 (1995); M. Xiao, Y. Q. Li, S. Z. Jin, J. Gea-Banacloche, Phys. Rev. Lett. 74, 666 (1995);J. Gea-Banacloche, Y. Q. Li, S. Z. Jin, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 576 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, R2703 (1995); Y. Q. Li, M. Xiao, Phys. Rev. A 51, 4959 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. Lett. (5)

S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 64, 1107 (1990); M. Jean, G. Y. Yin, J. E. Field, S. E. Harris, Opt. Lett. 18, 998 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

A. S. Zibrov, M. D. Lukin, D. E. Nikonov, L. Hollberg, M. O. Scully, V. L. Velichangly, H. G. Robinson, Phys. Rev. Lett. 75, 1499 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993); J. H. Eberly, M. L. Pons, H. R. Haq, Phys. Rev. Lett. 72, 56 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

K. J. Boller, A. Imamoglu, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991); J. E. Field, K. H. Hahn, S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

K. Hakuta, L. Marmet, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 66, 596 (1991); G. Z. Zhang, K. Hakuta, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 71, 3099 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

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 (4)

Fig. 1
Fig. 1

NDFWM based on EIT in a three-level Λ-system of Rb87 atoms. Pumping waves are at frequencies ω1 and ω2, and the probe wave is at frequency ωp. The phase-conjugate wave is generated at the frequency ωc = ω1 + ω2ωp and experiences transparency produced by the pumping wave at frequency ω2.

Fig. 2
Fig. 2

Experimental setup. BS1, BS2, polarization cube beam splitters; SA, spectrum analyzer; APD, avalanche photodiode; λ/2, half-wave plate. DL2 is modulated by a rf signal at frequency ωm in the driven current.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Measured linear susceptibility (absorption) Im χ D ( 1 ) for the phase-conjugate wave versus frequency detuning. (b) Third-order susceptibility Re χ D ( 3 ) for the NDFWM in an optically thin medium with an atomic density of 2.6 × 1010 cm−3. Both Im χ D ( 1 ) and Re χ D ( 3 ) are in arbitrary units.

Fig. 4
Fig. 4

Normalized transmission of the phase-conjugate wave (left column) and the NDFWM beat signal (right column) at an atomic density of (a) and (d) 9.8 × 1010 cm−3, (b) and (e) 2.0 × 1011 cm−3, (c) and (f) 1.5 × 1012 cm−3.

Equations (1)

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

E c z + 1 c E c t = j ω N 2 c [ χ D ( 1 ) E c + χ D ( 3 ) E 1 E 2 E p ] ,

Metrics