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4发光分子探测光子晶体态密度的方法

刘晓东张向东王义全程丙英张道中

(大连民族学院光窀子技术研究所116600中国科学院物理研究所光l轫理实验室100080

北京师范大学物理系100080)

[摘要]单一原子(分子)的自发辐射衰变强烈地依赖于其在光予晶体中的位置及其辐射偶极矩与所处位置场的相对方向。测量单一原子(分子)的自发辐射衰变特性只能反映光子晶体的局域态密度特征,而不能反映光子晶体的全态密度特征。我们发现,通过引入含不同密度分布的发光分子可以探测到光子晶体曲全态密度的部分细节甚至全部信息。本文按来源首次将垒态密度分为两个部分,证明了特定的发光分子分布可以完善地反映其中的部分或者全部,这为解释、设计加速或抑制原子(分子)自发辐射的实验提供了有益的指导。

[关键词]光子晶体自发辐射垒态密度局域态密度

1.引言

在用光子晶体控制原子或分子的量子电动力学特性,如抑制或增强受激原子的自发辐射特性方面,理论研究也取得了丰硕的成果…。总的来讲,光子晶体中受激原子的自发辐射特性除了与其本身的能级结构和本征衰变特性外,完全取决于其所处于光子晶体中的位置、相对方向和该处光子晶体的局域态密度【2J,尽管不断有作者简单地用全态密度(通常简称为态密度)来表征光子晶体对自发辐射特性的调整[3],以及用光子晶体的全态密度来解释染料分子在赝带隙光子晶体中荧光谱受到数倍抑制的实验结果l…。

那么,到底可否用光子晶体的全态密度来解释染料分子在赝带隙光子晶体中荧光谱受到的显著调制呢?本文认为,目前已有的局域态密度理论和全态密度近似理论都没有阐明这样的观点,即通过引入含不同密度分布的发光分子,我们可以探测到光子晶体的全态密度的部分细节甚至全部信息,从而可以用全态密度理论精确而直接地解释特定的实验。

2.局域态密度理论和全态密度近似理论

正确地讲,对于一个特定的受檄原子的自发辐射问题,首先必须使用如下的广义局域投影态密度pl(d,ro,∞)【2]

P。(d,r0,m);瓦d。2(“2,r),x≮pJ[口3醅(m—m小舭‘E卅(ro)l2

其中ro、d分别是该原子所在的位置及其偶极跃迁矩阵元的大小和单位方向矢量;n和々分别是电磁波传播模式的光子带本征矢量解的带序号和波矢;E啪(ro)是原子所在位置r0处属于模式(n,&)的电场;Bz表示第一布里渊区,是波矢k的积分区域。该广义局域投影态密度pl(d,ro,w)已经包含了原子偶极贡献,是光一原子相互作用的自然反映。而跃迁频率为mo的单个原子的自发辐射衰变宽度r与(1)式定义的广义局域投影态度翻(d,ro,mo)的关系为r=2zc91(d,ro,mo),其倒数即为原子的自发辐射寿命r[“。

但是,如果在ro周围的小体积内存在大量的独立的发光原子,且它们基本上具有随机的偶极发射方

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向,为了求系统的平均发射特征,我们对整个立体角求平均,就可以进一步地用局域态密度pl(ro,m)来描述系统的自发辐射行为[2]:

r=等‰赤c“d柚㈡,一

=高;fB.|zd3船(co-ran,k)f%。(ro)l:

三,(∞)户(70,山)

这里,我们已经将11分为两部分:反映原子偶极贡献的因子J(m)=d2。/(6h£0)和只常用的反映光子晶体特性的局域态度

P(,0,u);丽1荨』副3胁(“一‰,t)kI(~)J2(3)

特别是,跃迁频率为u0、偶极跃迁矩为d的原子在真空中的自发辐射衰变宽度r是m3d2/(3n。hc3)。这就是光子晶体中原子自发辐射行为的局域态密度理论的主要观点,它认为光子晶体中原子的自发辐射特性除了与其本身的能级结构、本征衰变特性及偶极方向外,还取决于其所在位置处光子晶体的局域态密度。

而全态密度p(m)定义为…

P(“)=丽V毒-,f删3船(m一‰I)(4)

这里V是三维空间的样品体积,m讲是光子晶体中的光子色散关系,Bz表示光子晶体的第一布里渊区。全态密度P(m)与局域态密度p(r0,u)的一般关系为[11]

P(“)=一LVmsc』Ⅳs∥3m(r)P(r,u)≠去f删3rP(r,m)(5)

其中,1VSZ和Vwsz分别表示维格纳~赛茨(Wigner—Seitz)元胞及其体积。该方程表明:对于介电分布变化人的光子晶体,态密度p(。)确实不能直接描述少量原子在光子晶体小的量子光学行为。但是,对于介电分布e(r)变化小的光子晶体,光子晶体内电磁场与散射体的作用较弱,全态密度p(w)近似正比于光子晶体中任意地点的局域态密度p(r,m)即p(m)可以提供受激原子在光子晶体:1r任意有限范围内自发辐射的受调制行为的合理描述。显然,具有强的光子腰带隙或完全光子带晾的光子晶体并不满足这一条件。这就是光子晶体中原子自发辐射行为的全态密度近似理论的主要观点,它指出:只有在研究具有小的介电分布变化的光子晶体(即具有弱的赝带隙)小大量随机分布的发光原子的自发辐射行为时,才可以使用全态密度p(m),这适合于近几年来大多数的实验。

3.全态密度分解与探测

那么,如何才能探测到全态密度呢?也就是说,怎样的实验安排或染料分子分布才能探测到全态密度呢?如果我们进一步引进荧光分子在光子晶体中的数密度分布n(r),如图1所示,且荧光分子的引进没有影响原来光子晶体的介电分布,那么我们可以得到整个光子晶体中荧光材料的自发辐射衰变宽度为其在

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晶体内的体平均

r=q乒』d3rn(r)P(r,。)

(6)=』—域VtJ‰d3,n。(r)P(r,u)+j_|I,。d3rnB(r)p(r,。))

这里,n。(r)和‰(r)分别为在散射体内和在基质内存在的荧光分子数密度。该表达式的正确性已经在文献[2]的研究中得到了初步的证明。

图1光子晶体的原胞以及发光原子的数密度分布

另外,对于所有散射体中都含有‰(r)和背底材料中含有‰(r)的荧光分子的一般情况,根据全态密度与局域态密度的关系,全态密度等于局域态密度在维格纳一赛茨元胞上的£(r)权重平均:

P(m);去』wscdrs(r)P(r,m)

=去(e。』s。drp(r,w)¨』删rP(r,“))

(7)=--Ps。(ct’)+PmI(60)

上式表明,全态密度可以分成两部分,一是散射体部分P‰(m),一是基质部分P№(w)。这种形式的划分在文献上还没有见过,其物理意义还不明朗,且名称是否合适有待于探讨。比较以上两个式子可以发现,如果选择特殊的数密度分布n(r),我们就可以探测到全态密度的某些细节p‰(m)或P№(*)甚至全部P(m)=P№(m)+P‰(m)。

首先,如果只在全部的散射体内具有均匀的数密度分布‰,那么荧光材料的自发辐射衰变宽度在晶体内的体平均为

11=等挚f刑,rP(r,m)*‰(m)(8)

则可以说这样的数密度分布n。探测到了全态密度的P‰(m)部分。

其次,如果在全部的基质内具有均匀的数密度分布‰,那么荧光材料的辐射衰变宽度在晶体内的体平均11*p。(cc.),可以说这样的数密度分布‰探测到了全态密度的Pra。。60)部分。

第三,如果在全部的散射体内和全部的基质内同时分别具有均匀的数密度分布‰=ae.。和%=‰(即分子分布对于每个元胞是一样的,其中n和b是两个比例系数),则式成为

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r=土{尘{』如d3rm护(,,“)+』。ds如妒(r,。))

*ap‰(∞)+6阳。。(∞)

于是,这样的分布探测了PM。(m)和P‰(u)的混合叠加。如果n=6,即‰和‰的比例等于e。/‰,那么荧光材料的辐射衰变宽度在晶体内的体平均r*ps。(cu)+PM。(m)=P(。),即可以说这样的数密度分布探测到了整个全态密度P(。)。关于这种探测方法的详细讨论见文献[5]。

4.结论

为了实现用荧光分子对光子晶体全态密度的探测,通过对已有实验中荧光分子分布的考察,发现通过引入含不同密度分布的发光分子来探铡光子晶体全态密度的部分细节甚至全部信息。根据我们的态密度分解方案,我们认为目前所有的实验都无法直接探测光子晶体的全态密度,而如果染料分子的搀杂分布满足散射体内与背景介质内的数密度比等于散射体与背景介质的介电常数比,则测量到的染料分子的衰变参数就直接反映了光子晶体的全态密度。

参考文献

11JDuCG,eta1.Atomic∞herenceviaannonsinguler~DOMreservoir.2003Phys.Lett.A307:196

[2]WangXH,eta1.DecayDistdbutionofSpontaneotmEmissionfromanAssemblyofAtomsinPhotonieCrystalswithPseudogaps.2002Phys.Rev.Leu.88:093902

13JZhangHZ,eta1.Quantuminterferenceinspontaneotmemissionof¨atomembeddedinadouble—bandphoton/ccrystal.2002Phvs.Rev.A65:063802

[4]Koend畦akAF,et8lBroadbandFivcfuldReductionofVacuumFluetuationsProbedbvDyesinPhotonieCrystals.2002PhysRev.Lett.88:143903

[5]刘晓东.用不同密度分布的发光分子探测光子晶体的全态密度.2004物理学报53(1):132

本研究成果已经发表在2003年10月美国《物理评论B》上(s01已经检索,2003年影响因子3.327):LiuSD,七talProbingMethodoftheDensityofStatesinaPhotonicCrystalwithLuminescentMokcuk:s.2003Phys.Rev.B68:155l】8

胡嘉廷于立民

(丹东市元宝/g¥--3协丹东市化工研究所{侣000)

[摘要]本文根据决定系统性质的参量是否发生交化而定义了不变系统和对应变化系统,提出了对应方程和同类方程概念,总结出两对应系统间的三个对应原理,并给出了实例计算。

[关键词]不变系统变化系统对应系统对应方程对应量对应变化原理对应不变原理对应极限原理

1.引言

在1981年,本文作者之一对变质量质点经典系统的运动方程找到了一种简单易行、事半功倍的建立

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用发光分子探测光子晶体态密度的方法

作者:刘晓东, 张向东, 王义全, 程丙英, 张道中

作者单位:

相似文献(10条)

1.学位论文黄仙山动静态结构库中原子自发辐射的理论研究2007

激发态原子的自发辐射现象是量子光学领域是最基本的过程之一。长期以来对自发辐射现象的研究和认识引起人们广泛的兴趣。随着对自发辐射的认识不断深入,光电子学和量子信息技术的迅猛发展,以及各种可以控制光子环境(例如,各种高品质的腔,光子晶体材料等)制备的日趋成熟,实现对自发辐射这一最基本的现象的控制和改变可以为很多现实和未来的技术应用提供理论依据和试验指导,同时也使得人们看到广阔的应用前景。诸如,通过改变极化方向控制自发辐射方向实现低阀值激光和高效能发光技术,抑制和消除光电子器件由于自发辐射产生的量子噪声,以及未来可以广泛运用于量子信息领域的单原子微型激光器、量子发光二极管等光子器件的设计、单光子源、量子态的制备与控制等等。目前对于自发辐射控制的研究很多,大致可以分为:1)改变库环境相对于真空环境,利用已有的或者人为设计的环境(光子库),通过改变与原子间耦合的环境实现对自发辐射的改变;2)量子干涉通过外加的相干场或利用原子本身不同跃迁通道之间的量子干涉实现对原子自发辐射的控制;3)运用量子测量通过原子系统与观测器件之问的耦合控制原子激发态的衰变:4)其他方法,例如2001年Frishman等人提出通过多个衰减态之间的相互作用实现控制自发辐射。本论文中,我们首先分析了各向异性光子晶体库环境中三能级原子的动力学性质与自发辐射特性;其次研究了通过Vorl Neumann正交测量模型对处于光子晶体环境中的三能级原子进行不同频率的测量所造成的原子衰减的加速和抑制效应;最后研究了运用动态Lorentzian型库环境对激发态原子演化进行量子调控。

论文第二章中,我们主要研究了三维光子晶体中驱动场作用下的人原子动力学性质及自发辐射的特性问题。通过改变驱动强度Ω、失谐度δ、上能级与能带的相对位置ω<,1c>关系等因素,可以控制原子上下能级占居数振荡的频率和幅度。上能级不同的耗散系数γ也将直接影响上下能级占据数的衰减速度。此外,通过改变上能级与带边的相对位置,辐射模式将出现由两个局域模式,一个局域模式一个传播模式到两个传播模式的转变,可以利用该性质设计单通道和多通道光学开关,控制光的发射与传播。辐射谱将与观测的位置相关,且由于光子晶体的作用部分传输场的能量可以转为弥散场的能量。

论文第三章中,我们讨论了量子测量对处于各向异性光子晶体中激发态人型三能级原子动力学性质的影响,主要包括量子测量引起的原子衰减的抑制和加速效应。研究发现,激发态原子的衰减被抑制和加速现象不仅与原子共振频率相对于光子晶体带边的位置有关,还与原子测量的频率大小相关。并在一定的条件下,利用较小频率的量子测量就可以得到衰减变慢的效应。

同时也本章讨论了各向异性光子晶体中三能级原子辐射性质问题。通过改变上能级与带边的相对位置以及两个下能级间的相对位置,原子周围的辐射模式将出现由两个局域模式,一个局域模式一个传播模式到两个传播模式的转变,可以利用该性质设计单通道和多通道光学开关,控制光的发射与传播。通过对辐射场的分析和计算,给出了不同区域辐射场的分布,由此解释了原子上能级布居数随时间的演化图像。通过数值计算得到辐射场随时间和传输距离的演化图像,并进一步分析了总场强的组成传输场、弥散场随时问和传输距离的变化图像。随着距离的增加,弥散场相对于传输场的减弱而相对增强,我们由此可以看出传输场在传输的过程中受到光子晶体的影响而逐渐失去原来的相位关系,并转化为弥散模式向外传播。通过Fourier变换,从辐射谱的角度分析了原子周围辐射模式的变化,讨论了在不同的区域中辐射谱与观测的位置的关系,并且分析了光子晶体对原子辐射模式的影响。

论文第四章中,我们主要研究了利用动态腔环境Lorentzian库对激发态原子系统演化的调控。通过变化Lorentzian库的中心谐振频率和半宽度实现对原子所处环境的改变。分别讨论了单次矩形脉冲形式、连续矩形脉冲形式以及缓变连续周期形式的库环境变化对原子布居数演化的影响。研究发现,原子系统随着库环境的变化打断与原来库环境之间的耦合,并开始与新环境库之间相互作用继续演化;库环境的变化必然是通过外力作用使得腔内模式与腔外模式之间相互作用,电磁模式密度重新分配的结果;对于连续矩形脉冲形式的调制,当库环境的连续改变和原子系统与环境交换能量的过程保持一致性就可以达到相对稳定的布居振荡,否则系统演化的周期将被破坏而逐渐失去相干性;相对于矩形脉冲形式的调制,库环境的缓变形式的连续调制使得腔内模式与腔外模式相互作用增加,造成腔内能量向外泄漏的速度变快,使得原子系统衰减的速度变快。

2.学位论文陈绿洲三维光子晶体中的自发辐射相干控制2009

我们突破了色散曲线和Weisskopf—Wigner近似的框架,提出在三维全带隙光子晶体中利用Zeeman效应以及Stark效应的方法来实现自发辐射相干控制.全文包含五章。

第一章简要介绍了量子相干领域和光子晶体领域的重要工作,以及我们研究这个问题的动机.

第二章简要介绍了光子晶体的基本理论以及非微扰时域Green函数。

第三章我们提出用Zeeman效应控制量子相干.嵌入三维光子晶体中的原子包含三个原本简并的上能级|α1〉,|α2〉,|α3〉和—个基态能级|0〉.我们发现虽然Zeeman效应不能使劈裂开的三个上能级之间有耦合(这与Stark效应有区别),但是在光子晶体环境的作用下,三个跃迁渠道之间仍然有明显的量子相干效应,并且此效应可以由外加静磁场的强度来调控.当体系跃迁频率在光子带隙内部,我们观察到量子相干叠加态的周期性演化.而当跃迁频率在光子带隙附近,体系出现分数化稳态布局数俘陷.此项工作对利用四能级系统实现量子逻辑运算问题有重要意义。

第四章我们研究了在三维全带隙光子晶体中加入外静电场时三能级体系(含一个亚稳上能级|α1〉,一个非稳上能级|α2〉和基态能级|b〉)的演化情况.由于Stark效应和光子带隙效应的共同作用,我们实现了量子叠加态的相干控制和保持.另外我们发现亚稳态能级的寿命可以通过外静电场以及原子在光子晶体中的位置来改变和控制.这项工作为量子态的制备和控制提供了一个有效方便的新方法,对量子信息处理有重要的意义,同时对亚稳态原子能的利用也有重要的启示.

第五章为此项研究工作的总结。

3.期刊论文刘晓东.王义全.许兴胜.程丙英.张道中具有态守恒赝隙的光子晶体中两能级原子自发辐射的增强与抑制-物理学报2004,53(1)

论证了在赝带隙光子晶体中存在一个全频率域态总数守恒规则,在完全带隙光子晶体中还存在一个局域态总数守恒规则.态总数守恒规则指出,如果一个光子晶体的态密度在某些频率范围存在相对于等效介质态密度的谷,则一定由其他频率范围内相对于等效介质态密度的峰来补偿.使用符合态总数守恒规则的态密度模型,解释了态密度调制导致的自发辐射谱增强、抑制、变窄、红移、蓝移以及谱分裂等光子晶体中的量子光学现象.该理论比较适合研究在具有赝带隙的光子晶体中大量随机分布的发光原子或分子的自发辐射行为.

4.学位论文谢双媛光子晶体中关于自发辐射若干问题的研究2001

光子晶体(Photonic crystals)作为一种由介电函数周期性分布所形成的人工微结

构,具有许多独特的性质,对光子的运动有着重要的影响。光子晶体可以用来制作全

新原理的、高性能的光学器件,具有广阔的应用前景,因此,光子晶体这一概念一经

提出,立即引起了人们的广泛关注,迅速成为一个研究热点。

光子晶体的广泛应用前景都基于利用光子晶体可以如人所愿地控制光子,这就促

使人们研究光子晶体中光子与物质的相互作用,而研究光子晶体中原子的自发辐射性

质是其中一个重要内容,这对光子晶体的实际应用有着重要意义。

本论文围绕光子晶体中光与原子的相互作用,主要做了以下几方面的理论研究:

许多量子光学方面的研究表明相干驱动场能增强原子不同跃迁之间的量子干涉,

从而导致新的光学现象,因此,在第二章中,我们研究了当一个V型三能级原子的两

个上能级之间存在相干驱动场时,此三能级原子在一维光子晶体中的自发辐射性质。

我们着重分析了外加相干驱动场、光子晶体能带结构对原子自发辐射的影响,并将结

果与原子跃迁偶极矩相互平行或无外加驱动场作用下原子跃迁偶极矩相互垂直的情况

进行比较。结果表明:由于量子干涉和光的局域化作用,原子上能级中的占据数将做

周期性振荡或准周期性振荡,这不仅与原子两个上能级的共振频率和光子能带带边的

相对位置有关,而且还与原子的初始状态、驱动场的强度、驱动场的入射位相有关。

通过改变原子的初始状态或原子上能级的共振频率与光子能带带边的相对位置,可以

影响量子干涉,从而控制辐射场中没有或有一个、两个、三个传播脉冲出现,这一性

质可用于制作多通道开关。我们发现驱动场的位相和强度可以控制原子的自发辐射,

原子的自发辐射记录了驱动场强度和入射位相的信息,可利用这一性质制成光学存储

器。

考虑到实际三维光子晶体具有各向异性结构,导致色散关系具有各向异性,态密

度发生了变化,这将对原子的自发辐射性质产生影响,在第三章中,我们研究了三维

各向异性光子晶体中一个V型三能级原子自发辐射的性质。我们主要对辐射场的频

谱特性和传输特征、原子上能级占据数及其随时间的演化性质等进行了讨论,并将结

果与一维各向同性的结果进行比较,从而了解态密度对自发辐射的影响。结果表明:

由于态密度没有奇异性,辐射场中的局域场可以消失,弥散场在一定条件下会得到加

强,并在辐射场中占主导地位。我们研究了辐射场中局域场的局域性、传输场的传输

性及弥散场的性质,得到了辐射场中各部分之间能量交换的物理图象。我们还发现在

不依赖于原子初始状态的情况下可以实现原子上能级占据数的完全衰减,使原子处于

基态。

在光与原子相互作用的多原子系统中,原子间的偶极-偶极相互作用会影响原子

行为的量子特性。在第四章中,我们研究了原子间偶极-偶极相互作用对三维各向异

性光子晶体中两个二能级原子系统自发辐射性质的影响。研究结果表明:由于原子间

的偶极-偶极相互作用(包括静电偶极-偶极相互作用和共振偶极-偶极相互作用)能

引起两个原子跃迁之间的量子干涉,两个二能级原子的自发辐射性质将类似于一个V

型三能级原子的自发辐射性质。在某些情况下辐射场中的局域场可以消失,弥散场可

以在辐射场中占主导地位。原子间的偶极-偶极相互作用能抑制或增强原子的自发辐

射。此外,我们还给出了这个两原子系统的自发辐射谱。由于原子间的偶极-偶极相

互作用能引起量子干涉效应,自发辐射谱并不是两个独立二能级原子各自谱线的简单

叠加,而是复杂的非洛伦兹型。谱线中峰的宽度、高度、位置以及形状由原子上能级

的共振频率与光子能带带边的相对位置、系统的初始状态决定。

5.学位论文许静平含左手性材料的一维结构中二能级原子的自发辐射2007

自发辐射是量子光学中的一个基本问题。由于真空涨落的影响,处于激发态的原子会自发的从激发态跃迁到基态,并发出一个光子(辐射)。这一光子没有固定的相位和方向,是随机的。因此对于激光的产生、原子和光场相干性的保持,自发辐射的存在都是不利的。以前,人们认为自发辐射是原子固有的性质而对这一问题束手无策,直到1946年Purcell指出,把原子放置在腔中,将显著改变原子的自发辐射。至此人们意识到自发辐射不仅决定于原子本身,还与原子所处的环境有关。如果原子所处的环境模密度为0,原子的自发辐射将会被完全抑制。随后,寻找特定的环境以改变原子的自发辐射成为了理论和实验的研究重点。除了微型腔、波导以外,1987年Yablonovitch和John提出的利用周期性排列电介质形成的光子晶体来控制自发辐射,更是开辟了光子晶体这一研究领域。最近,一种被称为左手性材料的新型人工材料引起了理论界和试验界的广泛兴趣。这种材料具有小于零的介电系数、磁导率和折射率,但依然遵守麦克斯韦方程。由于其具有负的折射现象以及相位补偿效应,关于负折射率材料的应用研究取得了很大进展,包括完美透镜、零平均折射率带隙、亚波长谐振腔等等。

结合以上的一些研究动态,我们这篇论文主要讨论了包含左手性材料的一维结构对原子自发辐射的影响,包括对原子辐射场分布、原子辐射率、原子的动力学衰减过程的影响。

在第二章里,我们讨论了由左手性材料和正常材料组成的多层结构,在阻抗匹配条件下,对原子辐射场分布的影响。在这样的条件下,原子的自发辐射率与在自由真空中一样,但左手性材料的负折射现象使得原子的辐射场在每一层中聚焦,并沿着垂直于界面的方向传播,这种结构类似一个波导,将自由真空中的球形扩散发射转变为定向发射。因此我们可以在不改变原子辐射率的情况下控制原子自发辐射场的分布。

在第三章里,我们讨论了包含左手性材料的一维结构对原子自发辐射率的影响,并与通常的一维结构作了对比。我们从简单的三层结构开始讨论,发现被反射回来的辐射场,通过了左手性材料的要比通过对应正常材料的要强。因此对于由反射场和出射辐射的叠加而决定的最终的辐射率,包含左手性材料层的结构要比通常结构对原子的自发辐射产生更大影响

,而辐射率对自由真空辐射率的偏离,在左手性材料情况下要大于正常材料的情况。这一结论也适用于包含左手性材料的光子晶体。通过与正常光子晶体的比较,我们发现包含左手性材料的光子晶体在更多的方向上具有极高的反射率,从而能更强烈的抑制原子的自发辐射。

在第四章里,我们考虑了在不包含色散和耗散的一维光子晶体里,原子的动力学衰减过程。与以前讨论原子衰减动力学的文章相比,我们没有采用简单的近似的库函数,而是计算出了一维光子晶体实际的库函数,并作为计算的基础。通过数值计算,我们不仅得到了原子辐射的反射场被反射回来作用到原子的时间延迟效应,而且在结果中包含了原子与场开始作用时的能量时间的不确定关系。也就是在原子与真空场、反射场刚刚开始作用时,原子的瞬时辐射率在短时间内会发生巨大的变化。

在第五章里,我们讨论了在包含左手性材料的一维结构中,原子的动力学衰减过程。由于左手性材料具有负折射率的频段都靠近材料的共振频率,所以我们必须考虑到左手性材料的色散和耗散。相应的,原子的自发衰减分为两部分:辐射衰减和非辐射衰减。我们首先讨论原子在左手性材料和金属镜组合而成的结构的一侧的情况,这种结构在理想左手性材料的情况下能完全抑制原子的自发辐射。我们在左手性材料中引入了合理的色散和耗散,发现由于以上两种衰减形式的存在,使得这种结构虽然能很好地抑制原子自发辐射但并不能完全抑制,更不能将原子与结构的距离延伸到宏观距离。对于原子位于包含左手性材料的光子晶体的情况,我们发现由于左手性材料的相位补偿效应(聚焦效应)这种光子晶体对原子的辐射衰减有很强的影响,同时由于原子的跃迁频率与左手性材料的共振频率靠得比较近(左手性材料的特性),在一定条件下原子的非辐射衰减会呈现出复杂的形式。在这种一维光子晶体里,原子的占据数会出现振荡。

6.期刊论文谭荣.李高翔.Tan Rong.Li Gao-Xiang低频强场作用下三维光子晶体中二能级原子的自发辐射性质-物理学报2005,54(5)

研究了处于三维光子晶体中,且在强相干的低频场的驱动下的单个二能级原子的自发辐射性质.由于低频场的影响,使得原子产生了在跃迁过程中吸收或发射一个低频光子的衰减渠道.这些跃迁导致了自发辐射的量子干涉,再加上光子晶体能带带边的作用,自发辐射被显著抑制.原子的布居俘获依赖于原子上能级与能带带边的相对位置,低频场的频率和原子不同跃迁通道间的相对跃迁强度.

7.学位论文谭荣光学微器件中原子自发辐射和受激辐射性质的控制和应用2008

自发辐射是量子信息的存储和传播、高频激光器及高精度测量等现代量子光学新发现的主要限制因素之一。量子光学的一个重要课题就是探讨控制和改变自发辐射的方法。利用已有的或者人为设计的环境(光子库),通过改变原子跃迁频率附近的辐射场模密度,是加强或抑制原子的自发辐射的一种有效方法。另一方面,随着原子捕获技术的发展,人们对原子的操控越来越强。复杂环境(光子晶体和微腔)中,由外加激光场驱动的原子体系的辐射性质受到了广泛的关注。

本文研究了原子所处环境的改变对原子自发辐射衰减行为的影响。首先研究了位于两平行板间的电四极子的自发辐射衰减速率,两板中的一个或两个平板的磁导率为无穷大。发现电四极子的自发辐射速率随原子位置的演化呈现振荡行为。当两板均是理想导体板或磁导率为无穷大的板时,电四极子的自发辐射速率随原子位置改变的演化曲线相对于腔的中间平面是对称的。当一个板是理想导体板,一个是磁导率为无穷大的板时,缺少这种对称性;为了揭示原子所处的限制环境对原子自发辐射速率的影响,我们进一步分析了处于理想导体包层的平板腔中的二能级原子,它自发辐射的光束的侧向位移对其自发辐射速率的影响。发现由于在腔镜界面出现正或负侧向位移,将改变原子所处环境的辐射场模函数,从而导致原子自发辐射速率的加强或减少;由于考虑光学平板波导外原子的自发辐射性质将有助于研究平板波导对原子的捕获,我们还讨论了位于金属包层的介质波导外,激发态原子自发辐射对波导的导波模的耦合。通过讨论原子自发辐射对正常导波模和衰逝导波模的耦合效率,得出适当地调节上层金属膜和波导中间层的厚度以及原子的位置,原子自发辐射光子对波导的正常导波模的耦合效率可以达到90%。

本文还研究了复杂环境(光子晶体和微腔)中,受到外加激光场驱动的原子体系的辐射性质。首先我们考虑了与单模腔相互作用,且一个激发态通过强的激光场耦合到基态,而另一激发态经由弱的探测场耦合到基态的V型三能级原子所组成的介质的克尔非线性。分析了腔场频率,腔场一原子的耦合常数和原子的衰减速率对线性和非线性极化率的影响。我们发现在腔诱导的量子干涉和Purcell效应的共同影响下,克尔非线性能够被明显加强,并且介质的线性和非线性吸收均非常微弱;我们还研究了位于光子晶体微腔中,并且由外加相干场驱动的单个二能级原子的辐射场性质。在原子与腔场发生强耦合的情况下,着重考虑了腔场的压缩性质和频谱特性。单模腔场的压缩性质受到外加驱动场的拉比频率,腔模频率与外加相干场频率的失谐量以及腔场衰减速率的影响。由于腔场压缩的出现与光子晶体带隙的共同作用,腔场发射谱的线宽变窄。

8.学位论文罗敏光子晶体中单原子激光的量子性质2009

单原子激光,即单个原子或单个量子点与高品质因子的光学微腔的量子场相互作用的系统,是研究新颖的量子电动力学效应的一个重要的工具。自单原子微波激光器首次在实验上被实现后,对单原子的激光操控一直是激光理论领域的一个重要课题。目前,人们主要集中对单原子激光的量子理论的研究,以及它们在光子学、纳米技术和量子信息技术中的实际应用。

本文首先研究了放置在光子带隙材料中单原子修饰态激光体系的统计性质。我们证明在原子的修饰态之间实现完全无阈值的激光是可能的。通过分析腔场的Mandel's Q参数来区分激光的阈值行为,研究发现其阈值行为取决于激光跃迁中是否存在自发辐射。当激光跃迁中自发辐射存在时,腔场的平均光子数所呈现的阈值行为表明系统可以作为普通的激光来操控。而当激光跃迁中自发辐射被禁止时,在所有的抽运值下,对系统进行观测均是无阈值,它说明系统实现了无阈值激光。而且我们还发现在无阈值的操控下,腔场的平均光子数随着抽运率的增加是非线性的增加的,并且在这一过程中伴随着亚泊松分布的光子统计。这表明非经典的光子统计可以用来区分修饰态原子激光的非线性操控。

我们还研究了系统的辐射性质,在双重修饰的原子模型中,利用修饰态之间的跃迁解释了系统谱线的特征,并分析光子晶体库环境对原子的荧光谱和腔场的输出谱的影响。分析表明,随着原子跃迁频率与激光场频率的失谐的变化,系统的谱线发生了明显的改变,从双峰谱线结构变化到多峰谱结构,再从多峰谱结构变化到单峰谱结构。谱线的结构依赖于原子与腔场的耦合强度,腔场的衰减和光子晶体中原子的自发辐射以及腔场的光子数分布。因此对系统谱线的测量给我们提供了一种非侵入测量腔场的光子数分布的方法。而且我们还发现光子晶体中系统的谱线强度变强、谱线线宽变窄,并且有更多的新的谱线出现。在失谐δ《0的条件下,光子晶体中系统谱线的线宽度是普通腔场方案中谱线的线宽度的百分之六。这些线宽小于谱线的自然线宽和腔场的衰减率。

9.期刊论文顾本源.王雪华赝带隙光子晶体中原子集合的自发辐射动力学-物理2002,31(8)

介绍了三维赝带隙光子晶体中原子集合的自发辐射衰减分布特性.发现不同的原子集合弥散组态,其原子自发辐射呈现十分宽或窄的有限的寿命分布.纯粹光子晶体效应可导致加速和抑制衰减过程并存.从理论上揭示了现有的实验结果的重大分歧的缘由.

10.学位论文申志荣光子晶体的相关理论分析和实验研究2006

光子晶体是八十年代末提出的新概念和新型光学材料,迄今取得异常迅猛的发展,是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有很高的理论价值,更具有非常广阔的市场应用前景,这个领域已经成为国际学术界的研究热点和新的产业亮点。

光子晶体是一种存在带隙的周期结构的人造材料,其特点是光子晶体能够完全反射频率处于带隙内的电磁波或者能够完全抑制频率处于带隙内的自发辐射。由于光子之间的相互作用可以忽略,因此光子的能带理论是一种精确的理论。所以,在光子晶体的研究过程中,其理论研究工作就具有了特别重要的意义。

本文详细介绍了新型光学材料——光子晶体的概念及其光子带隙、光子局域、抑制自发辐射、偏振特性等光子晶体的重要特性,详细介绍了光子晶体的一些主要理论研究方法:平面波法、时域有限差分法、转移矩阵方法、N阶法、超元胞法和格林函数法。同时,本文利用量子力学的观点,从量子的角度也对光子晶体作了一些理论分析,并做出了一些理论预言。最后简单介绍了光子晶体的最新发展应用,并对光子晶体的发展前景作了展望。

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下载时间:2010年11月13日

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