Abstract

We have experimentally investigated dynamical hysteresis behavior by changing the sweeping frequency of the cavity input field in the optical bistability of rubidium atoms (in a three-level Λ-type configuration) inside an optical cavity. The shape, width (or area), and direction of the hysteresis cycle are sensitive functions of the sweeping frequency for such an optical bistable system.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. H. M. Gibbs, S. L. McCall, and T. N. C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976).
    [CrossRef]
  2. L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. A. Joshi and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 91, 143904 (2003).
    [CrossRef]
  4. W. Yang, A. Joshi, and M. Xiao, Phys. Rev. A 70, 033807 (2004).
    [CrossRef]
  5. L. A. Lugiato, in Progress in Optics, E. Wolf, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1984), Vol. 21, p. 71.
  6. H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light (Academic, New York, 1985), and references therein.
  7. P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. G. H. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, SIAM J. Appl. Math. 57, 1163 (1997).
    [CrossRef]
  9. A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
    [CrossRef]
  11. H. Wang, D. J. Goorskey, and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 87, 073601 (2001).
    [CrossRef]
  12. M. Yamada, IEEE J. Quantum Electron. 22, 1052 (1986).
    [CrossRef]
  13. H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
    [CrossRef]
  15. W. Yang, A. Joshi, H. Wang, and M. Xiao, Appl. Opt. 43, 5547 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. M. Thorwart and P. Jung, Phys. Rev. Lett. 78, 2503 (1997).
    [CrossRef]
  17. A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
    [CrossRef]
  18. M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
    [CrossRef]

2004

W. Yang, A. Joshi, and M. Xiao, Phys. Rev. A 70, 033807 (2004).
[CrossRef]

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

W. Yang, A. Joshi, H. Wang, and M. Xiao, Appl. Opt. 43, 5547 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2003

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

A. Joshi and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 91, 143904 (2003).
[CrossRef]

A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
[CrossRef]

2002

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

2001

H. Wang, D. J. Goorskey, and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 87, 073601 (2001).
[CrossRef]

1997

G. H. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, SIAM J. Appl. Math. 57, 1163 (1997).
[CrossRef]

M. Thorwart and P. Jung, Phys. Rev. Lett. 78, 2503 (1997).
[CrossRef]

1995

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1990

P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

1989

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

1987

H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

1986

M. Yamada, IEEE J. Quantum Electron. 22, 1052 (1986).
[CrossRef]

1976

H. M. Gibbs, S. L. McCall, and T. N. C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976).
[CrossRef]

Andre, A.

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

Asquini, M. L.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Binder, R.

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

Brambilla, M.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Broner, F.

G. H. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, SIAM J. Appl. Math. 57, 1163 (1997).
[CrossRef]

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Brown, A.

A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
[CrossRef]

Gibbs, H. M.

H. M. Gibbs, S. L. McCall, and T. N. C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976).
[CrossRef]

H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light (Academic, New York, 1985), and references therein.

Goldsztein, G.

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Goldsztein, G. H.

G. H. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, SIAM J. Appl. Math. 57, 1163 (1997).
[CrossRef]

Goorskey, D. J.

H. Wang, D. J. Goorskey, and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 87, 073601 (2001).
[CrossRef]

Gray, G.

P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Haake, F.

H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Ham, B. S.

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

Hemmer, P. R.

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

Hohl, A.

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Joshi, A.

W. Yang, A. Joshi, H. Wang, and M. Xiao, Appl. Opt. 43, 5547 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

W. Yang, A. Joshi, and M. Xiao, Phys. Rev. A 70, 033807 (2004).
[CrossRef]

A. Joshi and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 91, 143904 (2003).
[CrossRef]

A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
[CrossRef]

Jung, P.

M. Thorwart and P. Jung, Phys. Rev. Lett. 78, 2503 (1997).
[CrossRef]

P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Kimble, H. J.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Kwong, N. H.

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

Lugiato, L. A.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

L. A. Lugiato, in Progress in Optics, E. Wolf, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1984), Vol. 21, p. 71.

Mandel, P.

P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

McCall, S. L.

H. M. Gibbs, S. L. McCall, and T. N. C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976).
[CrossRef]

Musser, J. A.

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

Narducci, L. M.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Novikova, I.

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

Orozco, L. A.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Phillips, D. F.

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

Phillips, M.

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

Risken, H.

H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Rosenberger, A. T.

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Roy, R.

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Rumyantsev, I.

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

Savage, C.

H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Shahriar, M. S.

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

Strogatz, S. H.

G. H. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, SIAM J. Appl. Math. 57, 1163 (1997).
[CrossRef]

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Sudarshanam, V. S.

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

Takayama, R.

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

Thorwart, M.

M. Thorwart and P. Jung, Phys. Rev. Lett. 78, 2503 (1997).
[CrossRef]

Turukhin, A. V.

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

van der Linden, H. J. C.

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Venkatesan, T. N. C.

H. M. Gibbs, S. L. McCall, and T. N. C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976).
[CrossRef]

Walls, D. F.

H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Walsworth, R. L.

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

Wang, H.

W. Yang, A. Joshi, H. Wang, and M. Xiao, Appl. Opt. 43, 5547 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
[CrossRef]

H. Wang, D. J. Goorskey, and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 87, 073601 (2001).
[CrossRef]

Xiao, M.

W. Yang, A. Joshi, H. Wang, and M. Xiao, Appl. Opt. 43, 5547 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

W. Yang, A. Joshi, and M. Xiao, Phys. Rev. A 70, 033807 (2004).
[CrossRef]

A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
[CrossRef]

A. Joshi and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 91, 143904 (2003).
[CrossRef]

H. Wang, D. J. Goorskey, and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 87, 073601 (2001).
[CrossRef]

Yamada, M.

M. Yamada, IEEE J. Quantum Electron. 22, 1052 (1986).
[CrossRef]

Yang, W.

W. Yang, A. Joshi, H. Wang, and M. Xiao, Appl. Opt. 43, 5547 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

W. Yang, A. Joshi, and M. Xiao, Phys. Rev. A 70, 033807 (2004).
[CrossRef]

Zibrov, A. S.

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

Appl. Opt.

IEEE J. Quantum Electron.

M. Yamada, IEEE J. Quantum Electron. 22, 1052 (1986).
[CrossRef]

Phys. Rev. A

H. Risken, C. Savage, F. Haake, and D. F. Walls, Phys. Rev. A 35, 1729 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

A. Joshi, A. Brown, H. Wang, and M. Xiao, Phys. Rev. A 67, 041801(R) (2003).
[CrossRef]

I. Novikova, A. S. Zibrov, D. F. Phillips, A. Andre, and R. L. Walsworth, Phys. Rev. A 69, 061802(R) (2004).
[CrossRef]

L. A. Orozco, H. J. Kimble, A. T. Rosenberger, L. A. Lugiato, M. L. Asquini, M. Brambilla, and L. M. Narducci, Phys. Rev. A 39, 1235 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

W. Yang, A. Joshi, and M. Xiao, Phys. Rev. A 70, 033807 (2004).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

A. Joshi and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 91, 143904 (2003).
[CrossRef]

P. Jung, G. Gray, R. Roy, and P. Mandel, Phys. Rev. Lett. 65, 1873 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

H. M. Gibbs, S. L. McCall, and T. N. C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976).
[CrossRef]

A. Hohl, H. J. C. van der Linden, R. Roy, G. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. 74, 2220 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

H. Wang, D. J. Goorskey, and M. Xiao, Phys. Rev. Lett. 87, 073601 (2001).
[CrossRef]

M. Thorwart and P. Jung, Phys. Rev. Lett. 78, 2503 (1997).
[CrossRef]

A. V. Turukhin, V. S. Sudarshanam, M. S. Shahriar, J. A. Musser, B. S. Ham, and P. R. Hemmer, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).
[CrossRef]

M. Phillips, H. Wang, I. Rumyantsev, N. H. Kwong, R. Takayama, and R. Binder, Phys. Rev. Lett. 91, 183602 (2003).
[CrossRef]

SIAM J. Appl. Math.

G. H. Goldsztein, F. Broner, and S. H. Strogatz, SIAM J. Appl. Math. 57, 1163 (1997).
[CrossRef]

Other

L. A. Lugiato, in Progress in Optics, E. Wolf, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1984), Vol. 21, p. 71.

H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light (Academic, New York, 1985), and references therein.

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 three-level atomic system in a Λ-type configuration. (b) Experimental arrangement: M1–M3, mirrors of an optical ring cavity; PZT, piezoelectric transducer; LD1, LD2, coupling and probe lasers, respectively; PB1–PB5, polarizing cubic beam splitters; BS, beam splitter; EOM, electro-optic modulator; λ 2 ’s, half-wave plates; FRs, Faraday rotators; D1, detector; APD, avalanche-photodiode detector; LSs, locking signals from the reference Fabry–Perot cavity; SAS, saturation atomic spectroscopy setup.

Fig. 2
Fig. 2

Input–output intensity characteristics of the optical cavity field for several rates of triangular scan. The parametric conditions are P C = 14 mW , Δ C = 80 MHz , Δ P = 20 MHz , Δ θ = 50 MHz , T = 70 ° C . Curves (a), (b), (c), (d) are for Ω values of 150 Hz and 1.5, 2.5, and 3.0 kHz, respectively.

Fig. 3
Fig. 3

Same as Fig. 2 but curves (a), (b), (c), and (d) are for Ω values of 5.0, and 10.0, 15.0, and 30.0 kHz, respectively.

Equations (2)

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

d x d t = a x b x 3 + G ( t ) ,
b = Re [ i N μ 21 4 3 3 F + F * ( 2 γ + γ 21 ) F F 2 ] ,

Metrics