量子相干介質中自發(fā)輻射及相關特性的理論研究.pdf

1、自發(fā)輻射是指處于激發(fā)態(tài)的原子自發(fā)地向低能級躍遷的輻射過程。日常生活中常見的各種白熾燈、日光燈、霓虹燈,以及熒光材料的發(fā)光,都是自發(fā)輻射產(chǎn)生的。自發(fā)輻射對許多物理過程和實際應用有重要的影響,如在半導體激光器中,降低自發(fā)輻射可以在一定程度上減少閾值電流。在量子光學中基于原子相干和量子干涉的自發(fā)輻射的有效控制和改變已經(jīng)引起了廣泛的研究,因為它在無反轉激光、相干布居捕獲、高精度的波譜學和測磁學,以及量子信息和量子計算中具有潛在的應用價值。已經(jīng)證

2、實原子的自發(fā)輻射不僅依賴于原子系統(tǒng)的特性還依賴于周圍環(huán)境,所以可以將原子放在不同的環(huán)境中,比如自由空間、光學腔、光波導、光子帶隙材料,或者其它的改進庫,通過改變這些模式參數(shù)來改變原子的自發(fā)輻射。在本論文中,我們主要討論了處于自由空間和光子晶體中的原子的自發(fā)輻射及光學特性的控制和改變,并且利用可控的自發(fā)輻射和光學吸收測量實現(xiàn)了高精度高分辨率的二維原子局域。主要研究內容和成果包括以下幾個方面:
　　(1)利用三種不同的結構模型詳細地研

3、究了射頻驅動的多能級原子系統(tǒng)的自發(fā)輻射特性。在多能級系統(tǒng)中由于射頻誘導量子相干的出現(xiàn)導致了一些有趣的現(xiàn)象,如譜線變窄、譜線增強、譜線抑制和熒光猝滅,并且這些現(xiàn)象有可能在實際的實驗條件下實現(xiàn)。通過觀察單射頻場、雙射頻場和三射頻場驅動的原子系統(tǒng),我們發(fā)現(xiàn):(i)當只有一個射頻驅動場時,有兩個熒光猝滅點和四條譜線;(ii)在兩個射頻場驅動的情況下,就會出現(xiàn)三個熒光猝滅點和五條譜線;(iii)當應用三個射頻驅動場時,就會有四個熒光猝滅點和六條譜

4、線;(iv)以此類推,如果該原子系統(tǒng)被N個射頻驅動場耦合,就會出現(xiàn)N+1個熒光猝滅點和N+3條譜線。有趣的是,僅僅通過適當?shù)卣{節(jié)所應用射頻驅動場的強度和頻率就可以很好地控制譜線增強、譜線抑制和選擇性的熒光猝滅取消。我們所提出的方案可以在銣原子系統(tǒng)中利用射頻驅動場耦合超精細能級來實現(xiàn),具有潛在的應用價值。
　　(2)研究了位于各向異性的光子晶體中的雙Λ型四能級和M型五能級原子的自發(fā)輻射行為。在這種系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩種類型的量子干涉:庫誘

5、導的干涉和激光誘導的干涉。通過改變光子帶隙庫的態(tài)密度和激光場的強度可以控制原子的自發(fā)輻射行為,輻射譜的改變源于量子干涉效應和外部激光場的控制。這些研究為操縱原子自發(fā)輻射提供了更多的自由度。
　　(3)討論了一個位于各向異性的雙帶光子晶體庫中由射頻控制的五能級原子系統(tǒng)的自發(fā)輻射和光學特性。在所提出的模型中,兩個原子躍遷分別與光子帶隙材料的上能帶和下能帶耦合,從而出現(xiàn)了一些不同的現(xiàn)象。研究表明自發(fā)輻射增強、抑制、變窄,以及對探測場的吸

6、收和色散特性依賴于射頻誘導量子干涉和光子帶隙材料的態(tài)密度。
　　(4)將一個人造的缺陷引入到光子晶體中從而打亂了晶體的周期性,在光子帶隙區(qū)域就產(chǎn)生了一個人為的輻射通道。所以將五能級納米微粒放置在這種光子晶體中就可以容易地控制微粒的輻射譜和光學特性。當粒子的躍遷頻率和缺陷模式的頻率匹配時,自發(fā)輻射速率可以得到增強。通過調節(jié)系統(tǒng)參數(shù),我們在光學譜中可以觀察到吸收、透明、正?；蚍闯Ｉ?以及對一個弱的探測場的放大特性。
　　(5)

7、通過可控的自發(fā)輻射和探測吸收測量,我們在不同的原子系統(tǒng)中提出了實現(xiàn)二維原子局域的方案。由于原子與依賴空間位置的駐波場相互作用,所以當原子穿過駐波場時,我們可以通過探測自發(fā)輻射光子的頻率或通過測量吸收光子的頻率來得到原子位置信息,從而形成了原子局域。我們發(fā)現(xiàn)當兩個垂直的駐波激光場用來耦合同一個原子躍遷時,通過適當?shù)卣{節(jié)系統(tǒng)參數(shù)可以將原子局域到一個特定的位置,從而在真正意義上實現(xiàn)了高精度高分辨率的二維原子局域。
　　本論文的研究加深了