量子相干介質(zhì)中自發(fā)輻射及相關(guān)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(jí)躍遷的輻射過(guò)程。日常生活中常見(jiàn)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(duì)許多物理過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用有重要的影響,如在半導(dǎo)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(xué)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?yàn)樗跓o(wú)反轉(zhuǎn)激光、相干布居捕獲、高精度的波譜學(xué)和測(cè)磁學(xué),以及量子信息和量子計(jì)算中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。已經(jīng)證

2、實(shí)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(xué)腔、光波導(dǎo)、光子帶隙材料,或者其它的改進(jìn)庫(kù),通過(guò)改變這些模式參數(shù)來(lái)改變?cè)拥淖园l(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(xué)特性的控制和改變,并且利用可控的自發(fā)輻射和光學(xué)吸收測(cè)量實(shí)現(xiàn)了高精度高分辨率的二維原子局域。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)利用三種不同的結(jié)構(gòu)模型詳細(xì)地研

3、究了射頻驅(qū)動(dòng)的多能級(jí)原子系統(tǒng)的自發(fā)輻射特性。在多能級(jí)系統(tǒng)中由于射頻誘導(dǎo)量子相干的出現(xiàn)導(dǎo)致了一些有趣的現(xiàn)象,如譜線變窄、譜線增強(qiáng)、譜線抑制和熒光猝滅,并且這些現(xiàn)象有可能在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)。通過(guò)觀察單射頻場(chǎng)、雙射頻場(chǎng)和三射頻場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的原子系統(tǒng),我們發(fā)現(xiàn):(i)當(dāng)只有一個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)場(chǎng)時(shí),有兩個(gè)熒光猝滅點(diǎn)和四條譜線;(ii)在兩個(gè)射頻場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的情況下,就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)熒光猝滅點(diǎn)和五條譜線;(iii)當(dāng)應(yīng)用三個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)場(chǎng)時(shí),就會(huì)有四個(gè)熒光猝滅點(diǎn)和六條譜

4、線;(iv)以此類推,如果該原子系統(tǒng)被N個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)場(chǎng)耦合,就會(huì)出現(xiàn)N+1個(gè)熒光猝滅點(diǎn)和N+3條譜線。有趣的是,僅僅通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)所應(yīng)用射頻驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率就可以很好地控制譜線增強(qiáng)、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(qū)動(dòng)場(chǎng)耦合超精細(xì)能級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn),具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)研究了位于各向異性的光子晶體中的雙Λ型四能級(jí)和M型五能級(jí)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(kù)誘

5、導(dǎo)的干涉和激光誘導(dǎo)的干涉。通過(guò)改變光子帶隙庫(kù)的態(tài)密度和激光場(chǎng)的強(qiáng)度可以控制原子的自發(fā)輻射行為,輻射譜的改變?cè)从诹孔痈缮嫘?yīng)和外部激光場(chǎng)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(gè)位于各向異性的雙帶光子晶體庫(kù)中由射頻控制的五能級(jí)原子系統(tǒng)的自發(fā)輻射和光學(xué)特性。在所提出的模型中,兩個(gè)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(qiáng)、抑制、變窄,以及對(duì)探測(cè)場(chǎng)的吸

6、收和色散特性依賴于射頻誘導(dǎo)量子干涉和光子帶隙材料的態(tài)密度。
　　(4)將一個(gè)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(gè)人為的輻射通道。所以將五能級(jí)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(xué)特性。當(dāng)粒子的躍遷頻率和缺陷模式的頻率匹配時(shí),自發(fā)輻射速率可以得到增強(qiáng)。通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù),我們?cè)诠鈱W(xué)譜中可以觀察到吸收、透明、正?；蚍闯Ｉ?以及對(duì)一個(gè)弱的探測(cè)場(chǎng)的放大特性。
　　(5)

7、通過(guò)可控的自發(fā)輻射和探測(cè)吸收測(cè)量,我們?cè)诓煌脑酉到y(tǒng)中提出了實(shí)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(chǎng)相互作用,所以當(dāng)原子穿過(guò)駐波場(chǎng)時(shí),我們可以通過(guò)探測(cè)自發(fā)輻射光子的頻率或通過(guò)測(cè)量吸收光子的頻率來(lái)得到原子位置信息,從而形成了原子局域。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)垂直的駐波激光場(chǎng)用來(lái)耦合同一個(gè)原子躍遷時(shí),通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)可以將原子局域到一個(gè)特定的位置,從而在真正意義上實(shí)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