外加驱动场与光子晶体对原子自发辐射的控制作用

摘要

原子的自发辐射是处于激发态的原子在无外来扰动作用下自发的跃迁到低能级态并辐射出一个光子的过程,是量子光学领域研究的重要课题之一。不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向上都有一定的任意性,是非相干的,因此如何有效的控制原子的自发辐射成为量子光学研究的热点。自发辐射不仅依赖于原子本身的能级结构,同时还与原子所处的周围环境相关。控制原子的自发辐射一般主要有两种方法；一种是改变与原子耦合的环境,如与适当的库耦合,位于光学腔中,光子晶体中。光子晶体材料的态密度同自由真空场有着很大的不同,其独特的态密度影响和改变量子干涉效应,同时为高精度测量,无反转激光,量子计算和量子信息理论等提供了潜在的应用价值。另外一种是利用外加驱动场或多能级原子跃迁通道之间量子干涉来控制原子的自发辐射。
　　 本文主要讨论了在自由真空中低频微波场驱动的四能级原子系统自发辐射的相干控制和光子晶体对原子自发辐射行为的影响。
　　 在第二章里,我们讨论了低频微波场对四能级原子系统自发辐射性质的影响和原子各能级布居数随时间的演化情况。该四能级原子被一个相干探测场、一个耦合激光场和一个低频微波场驱动,其中两个上能级由低频微波场耦合。研究发现,光谱的性质主要依赖于微波场的位相和振幅,通过适当调节低频微波场的位相和振幅,可以得到不同的光谱特征,如谱线变窄,谱线增强,谱线抑制,谱线的淬灭等。
　　 在第三章里,我们考虑了在光子晶体中外加两个驱动场作用下的四能级原子的自发辐射行为,该系统包含一个上能级和三个下能级,其中两个下能级分别通过两个驱动场与上能级耦合,另一下能级通过光子晶体热库与上能级耦合。讨论了在不同的初始条件下,光子晶体带边的相对位置和外加驱动场的失谐量对自发辐射谱的影响。研究结果表明,当原子的跃迁频率位于带边外时,通过选择适当的参数,可以控制黑线的产生和消失,然而当原子的跃迁频率位于光子晶体的禁带中时,原子的自发辐射受到强烈的抑制。由于驱动场的存在,通过调节其频率失谐量,在原子的自发辐射谱中,我们发现一些有趣的现象,例如谱线变窄,谱线增强,谱线抑制等。
　　 在第四章里,我们讨论了缺陷模对光子晶体中三能级原子自发辐射光谱性质的影响。一上级通过真空热库与下能级耦合,另一上能级通过含缺陷的光子晶体热库与下能级耦合,研究结果表明,当在光子晶体中引入缺陷模后,发现在原子的自发辐射光谱中产生新的透明窗口,当撤去外加驱动场时,自发辐射光谱呈现Lorentz型,新的透明窗口的出现是由于缺陷模和外加驱动场共同作用下的结果。另外通过改变缺陷模的相关参数可以有效的控制原子自发辐射的相关性质。