周期結(jié)構(gòu)中的量子干涉和負(fù)折射效應(yīng)研究.pdf

1、光子晶體(Photonic Crystal，PC)是一種人造周期結(jié)構(gòu)，1987年由Yablonovitch和John分別提出。由于其具有精確控制光場(chǎng)的能力，有望成為下一代基于全光技術(shù)的信息時(shí)代的主要光學(xué)元件。負(fù)折射率材料(Negative Refraction Material，NRM)是一種在同一頻段具有負(fù)的介電常數(shù)(ε<0)和負(fù)的磁導(dǎo)率(μ<0)的人工電磁材料，1967年由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago首先提出并研究。與傳統(tǒng)材料不同

2、，負(fù)折射率材料的電磁波波矢k，電矢量E與磁矢量H構(gòu)成左手關(guān)系，因此也被稱為為左手材料(Left-handed Materials，LHM)，它所具有的奇特的光學(xué)與電磁學(xué)性質(zhì)以及在信息科學(xué)與技術(shù)方面的潛在應(yīng)用引起了人們廣泛的關(guān)注與研究。光子晶體和負(fù)折射率材料由于其新奇的特性引起了科學(xué)家們的強(qiáng)烈興趣，在世界范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)材料的革命，并分別在1999年和2003年被美國(guó)著名科學(xué)雜志《Science》評(píng)選為十大科技進(jìn)展的領(lǐng)域之一。 近

3、年來，國(guó)際上已經(jīng)研究出在許多種結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料的方案，包括人工異向材料、傳輸線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光子晶體、手性結(jié)構(gòu)材料、磁復(fù)合結(jié)構(gòu)材料等。這些方案多為基于經(jīng)典電磁理論基礎(chǔ)上各向異性的組合材料方案，并且多在微波波段實(shí)現(xiàn)，而基于量子相干理論的光子共振材料實(shí)現(xiàn)方案具有原子水平、光頻段、各向同性等特點(diǎn)，它還可以避免人工組合材料對(duì)空間結(jié)構(gòu)以及周期性的精密加工要求過高以及在短波段(如光頻段)存在著不可避免的較大損耗等問題，也是近年來人們研究各向同性負(fù)

4、折射材料的主要方向之一。本碩士論文在總結(jié)對(duì)比二能級(jí)、三能級(jí)方案的基礎(chǔ)上，著重分析研究了利用四能級(jí)原子模型的光子共振材料的實(shí)現(xiàn)方案。并隨后考慮利用周期光場(chǎng)做為四能級(jí)原子系統(tǒng)的控制光場(chǎng)構(gòu)造出自感應(yīng)可調(diào)光子晶體，并分析討論了該結(jié)構(gòu)的光譜特性，我們通過調(diào)整周期結(jié)構(gòu)和原子共振頻率兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)該結(jié)構(gòu)光子帶隙的控制，為今后進(jìn)一步研究光在該結(jié)構(gòu)中的傳播特性做了鋪墊。本論文將分為四個(gè)部分： 第一章，簡(jiǎn)要介紹了負(fù)折射率材料概念、特性和物理解釋、

5、以及研究歷史和研究意義，同時(shí)概述本論文的研究?jī)?nèi)容及目的。 第二章，具體介紹原子相干和量子干涉的理論基礎(chǔ)，解釋并推導(dǎo)了半經(jīng)典電磁理論、綴飾態(tài)、量子干涉的原理以及電偶極矩、磁偶極矩與電磁場(chǎng)相互作用等概念，為后面各章節(jié)的深入研究和討論做鋪墊。 第三章，詳細(xì)論述了如何在原子能級(jí)系統(tǒng)中通過量子相干在光頻段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料的方法，分三節(jié)分別介紹利用二、三、四能級(jí)原子系統(tǒng)的三種實(shí)現(xiàn)方案。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，具體論述了在強(qiáng)共振場(chǎng)驅(qū)動(dòng)