動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)庫中原子自發(fā)輻射的理論研究.pdf

1、激發(fā)態(tài)原子的自發(fā)輻射現(xiàn)象是量子光學(xué)領(lǐng)域是最基本的過程之一。長期以來對自發(fā)輻射現(xiàn)象的研究和認(rèn)識引起人們廣泛的興趣。隨著對自發(fā)輻射的認(rèn)識不斷深入，光電子學(xué)和量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及各種可以控制光子環(huán)境(例如，各種高品質(zhì)的腔，光子晶體材料等)制備的日趨成熟，實(shí)現(xiàn)對自發(fā)輻射這一最基本的現(xiàn)象的控制和改變可以為很多現(xiàn)實(shí)和未來的技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)和試驗(yàn)指導(dǎo)，同時(shí)也使得人們看到廣闊的應(yīng)用前景。諸如，通過改變極化方向控制自發(fā)輻射方向?qū)崿F(xiàn)低閥值激光和

2、高效能發(fā)光技術(shù)，抑制和消除光電子器件由于自發(fā)輻射產(chǎn)生的量子噪聲，以及未來可以廣泛運(yùn)用于量子信息領(lǐng)域的單原子微型激光器、量子發(fā)光二極管等光子器件的設(shè)計(jì)、單光子源、量子態(tài)的制備與控制等等。目前對于自發(fā)輻射控制的研究很多，大致可以分為：1)改變庫環(huán)境相對于真空環(huán)境，利用已有的或者人為設(shè)計(jì)的環(huán)境(光子庫)，通過改變與原子間耦合的環(huán)境實(shí)現(xiàn)對自發(fā)輻射的改變；2)量子干涉通過外加的相干場或利用原子本身不同躍遷通道之間的量子干涉實(shí)現(xiàn)對原子自發(fā)輻射的控制

3、；3)運(yùn)用量子測量通過原子系統(tǒng)與觀測器件之問的耦合控制原子激發(fā)態(tài)的衰變：4)其他方法，例如2001年Frishman等人提出通過多個(gè)衰減態(tài)之間的相互作用實(shí)現(xiàn)控制自發(fā)輻射。本論文中，我們首先分析了各向異性光子晶體庫環(huán)境中三能級原子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)與自發(fā)輻射特性；其次研究了通過Vorl Neumann正交測量模型對處于光子晶體環(huán)境中的三能級原子進(jìn)行不同頻率的測量所造成的原子衰減的加速和抑制效應(yīng)；最后研究了運(yùn)用動(dòng)態(tài)Lorentzian型庫環(huán)境對激

4、發(fā)態(tài)原子演化進(jìn)行量子調(diào)控。 論文第二章中，我們主要研究了三維光子晶體中驅(qū)動(dòng)場作用下的人原子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及自發(fā)輻射的特性問題。通過改變驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度Ω、失諧度δ、上能級與能帶的相對位置ω<,1c>關(guān)系等因素，可以控制原子上下能級占居數(shù)振蕩的頻率和幅度。上能級不同的耗散系數(shù)γ也將直接影響上下能級占據(jù)數(shù)的衰減速度。此外，通過改變上能級與帶邊的相對位置，輻射模式將出現(xiàn)由兩個(gè)局域模式，一個(gè)局域模式一個(gè)傳播模式到兩個(gè)傳播模式的轉(zhuǎn)變，可以利用該性質(zhì)設(shè)

5、計(jì)單通道和多通道光學(xué)開關(guān)，控制光的發(fā)射與傳播。輻射譜將與觀測的位置相關(guān)，且由于光子晶體的作用部分傳輸場的能量可以轉(zhuǎn)為彌散場的能量。 論文第三章中，我們討論了量子測量對處于各向異性光子晶體中激發(fā)態(tài)人型三能級原子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響，主要包括量子測量引起的原子衰減的抑制和加速效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)原子的衰減被抑制和加速現(xiàn)象不僅與原子共振頻率相對于光子晶體帶邊的位置有關(guān)，還與原子測量的頻率大小相關(guān)。并在一定的條件下，利用較小頻率的量子測量

6、就可以得到衰減變慢的效應(yīng)。 同時(shí)也本章討論了各向異性光子晶體中三能級原子輻射性質(zhì)問題。通過改變上能級與帶邊的相對位置以及兩個(gè)下能級間的相對位置，原子周圍的輻射模式將出現(xiàn)由兩個(gè)局域模式，一個(gè)局域模式一個(gè)傳播模式到兩個(gè)傳播模式的轉(zhuǎn)變，可以利用該性質(zhì)設(shè)計(jì)單通道和多通道光學(xué)開關(guān)，控制光的發(fā)射與傳播。通過對輻射場的分析和計(jì)算，給出了不同區(qū)域輻射場的分布，由此解釋了原子上能級布居數(shù)隨時(shí)間的演化圖像。通過數(shù)值計(jì)算得到輻射場隨時(shí)間和傳輸距離的演

7、化圖像，并進(jìn)一步分析了總場強(qiáng)的組成傳輸場、彌散場隨時(shí)問和傳輸距離的變化圖像。隨著距離的增加，彌散場相對于傳輸場的減弱而相對增強(qiáng)，我們由此可以看出傳輸場在傳輸?shù)倪^程中受到光子晶體的影響而逐漸失去原來的相位關(guān)系，并轉(zhuǎn)化為彌散模式向外傳播。通過Fourier變換，從輻射譜的角度分析了原子周圍輻射模式的變化，討論了在不同的區(qū)域中輻射譜與觀測的位置的關(guān)系，并且分析了光子晶體對原子輻射模式的影響。 論文第四章中，我們主要研究了利用動(dòng)態(tài)腔環(huán)境

8、Lorentzian庫對激發(fā)態(tài)原子系統(tǒng)演化的調(diào)控。通過變化Lorentzian庫的中心諧振頻率和半寬度實(shí)現(xiàn)對原子所處環(huán)境的改變。分別討論了單次矩形脈沖形式、連續(xù)矩形脈沖形式以及緩變連續(xù)周期形式的庫環(huán)境變化對原子布居數(shù)演化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，原子系統(tǒng)隨著庫環(huán)境的變化打斷與原來庫環(huán)境之間的耦合，并開始與新環(huán)境庫之間相互作用繼續(xù)演化；庫環(huán)境的變化必然是通過外力作用使得腔內(nèi)模式與腔外模式之間相互作用，電磁模式密度重新分配的結(jié)果；對于連續(xù)矩形脈沖形