動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)庫(kù)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(guò)程之一。長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)自發(fā)輻射現(xiàn)象的研究和認(rèn)識(shí)引起人們廣泛的興趣。隨著對(duì)自發(fā)輻射的認(rèn)識(shí)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(duì)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(lái)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(guò)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(lái)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(duì)于自發(fā)輻射控制的研究很多，大致可以分為：1)改變庫(kù)環(huán)境相對(duì)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(kù))，通過(guò)改變與原子間耦合的環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)自發(fā)輻射的改變；2)量子干涉通過(guò)外加的相干場(chǎng)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(duì)原子自發(fā)輻射的控制

3、；3)運(yùn)用量子測(cè)量通過(guò)原子系統(tǒng)與觀測(cè)器件之問(wèn)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(guò)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(kù)環(huán)境中三能級(jí)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(guò)Vorl Neumann正交測(cè)量模型對(duì)處于光子晶體環(huán)境中的三能級(jí)原子進(jìn)行不同頻率的測(cè)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(kù)環(huán)境對(duì)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(chǎng)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(wèn)題。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度Ω、失諧度δ、上能級(jí)與能帶的相對(duì)位置ω<,1c>關(guān)系等因素，可以控制原子上下能級(jí)占居數(shù)振蕩的頻率和幅度。上能級(jí)不同的耗散系數(shù)γ也將直接影響上下能級(jí)占據(jù)數(shù)的衰減速度。此外，通過(guò)改變上能級(jí)與帶邊的相對(duì)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(kāi)關(guān)，控制光的發(fā)射與傳播。輻射譜將與觀測(cè)的位置相關(guān)，且由于光子晶體的作用部分傳輸場(chǎng)的能量可以轉(zhuǎn)為彌散場(chǎng)的能量。 論文第三章中，我們討論了量子測(cè)量對(duì)處于各向異性光子晶體中激發(fā)態(tài)人型三能級(jí)原子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響，主要包括量子測(cè)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(duì)于光子晶體帶邊的位置有關(guān)，還與原子測(cè)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(cè)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(jí)原子輻射性質(zhì)問(wèn)題。通過(guò)改變上能級(jí)與帶邊的相對(duì)位置以及兩個(gè)下能級(jí)間的相對(duì)位置，原子周?chē)妮椛淠Ｊ綄⒊霈F(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(kāi)關(guān)，控制光的發(fā)射與傳播。通過(guò)對(duì)輻射場(chǎng)的分析和計(jì)算，給出了不同區(qū)域輻射場(chǎng)的分布，由此解釋了原子上能級(jí)布居數(shù)隨時(shí)間的演化圖像。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到輻射場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)的組成傳輸場(chǎng)、彌散場(chǎng)隨時(shí)問(wèn)和傳輸距離的變化圖像。隨著距離的增加，彌散場(chǎng)相對(duì)于傳輸場(chǎng)的減弱而相對(duì)增強(qiáng)，我們由此可以看出傳輸場(chǎng)在傳輸?shù)倪^(guò)程中受到光子晶體的影響而逐漸失去原來(lái)的相位關(guān)系，并轉(zhuǎn)化為彌散模式向外傳播。通過(guò)Fourier變換，從輻射譜的角度分析了原子周?chē)椛淠Ｊ降淖兓?，討論了在不同的區(qū)域中輻射譜與觀測(cè)的位置的關(guān)系，并且分析了光子晶體對(duì)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(kù)對(duì)激發(fā)態(tài)原子系統(tǒng)演化的調(diào)控。通過(guò)變化Lorentzian庫(kù)的中心諧振頻率和半寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)環(huán)境變化對(duì)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(kù)環(huán)境的變化打斷與原來(lái)庫(kù)環(huán)境之間的耦合，并開(kāi)始與新環(huán)境庫(kù)之間相互作用繼續(xù)演化；庫(kù)環(huán)境的變化必然是通過(guò)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(duì)于連續(xù)矩形脈沖形