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非马尔可夫热库中多能级原子自发辐射特性研究

姜向前  
【摘要】: 由于在高精度测量、量子信息等领域的巨大潜在应用,自发辐射的控制已成为一个非常活跃的研究领域。原子的自发辐射不仅依赖于其能级结构,而且强烈依赖于所处的环境。由于非马尔可夫热库具有完全不同于真空的电磁模密度,因此深入研究置于其中的原子的自发辐射特性将会预言若干新的物理现象和规律,从而有助于深入理解非马尔可夫系统中的原子或分子的动力学行为,并指导实验研究工作,因而具有重要的理论与实际意义。本文选取微腔和光子晶体这两类特殊的非马尔可夫热库作为背景,研究了置于其中的多能级原子的自发辐射特性。 首先研究了置于衰减腔中三能级Λ型原子与多模腔场相互作用问题,利用分解算符给出了能级移动算符和自发辐射谱的解析表达式,研究了原子与腔场之间的耦合强度对自发辐射谱的影响。由辐射谱发现,在强、中耦合区上能级将发生不同的劈裂;在弱耦合区,腔衰减率控制原子的自发辐射性质,上能级不发生劈裂。通过研究失谐对谱线的影响发现,随着失谐的增加,由于自发辐射受到部分抑制导致部分谱线强度减弱。 对于耦合到分立热库中的三能级Λ型原子,利用分解算符分别给出了各向同性和各向异性色散模型下的上态粒子数演化和自发辐射谱。发现在不同的色散模型下原子的上态粒子数演化形式和自发辐射谱呈现出不同的性质,这种不同起源于原子与其辐射场之间耦合强度的不同。 将三能级Λ型原子分别置入一维和三维光子晶体中,针对两个跃迁都耦合到光子带隙热库中的情况,在不同的色散模型下利用分解算符给出了原子的自发辐射谱的解析解,并详细讨论了上带隙边缘位置对上态粒子数演化和自发辐射谱的影响。研究表明,通过改变上带隙边缘位置可以实现大的粒子数俘获,相应的自发辐射谱呈强的非洛仑兹线形。 结合控制原子自发辐射的两种方法即改变原子所处的环境和引入外加驱动场,研究了存在外加驱动的“三脚架”结构四能级原子的自发辐射稳态行为。在原子处于自由真空环境时,给出了其自发辐射谱的解析解。研究了失谐对自发辐射谱的影响,发现在不同的初始条件下,部分谱线变窄或消失。将原子置入光子带隙热库中,针对上带隙边缘处于不同位置所对应的三种跃迁情况,研究了光子带隙和外加场失谐对分立谱线的影响。研究发现,当两个跃迁频率远离带隙时,光子带隙将不影响谱线性质;当两个跃迁频率处于带隙边缘时,随着失谐的增加,缀饰能级将被推向远离带隙的方向;如果两个跃迁频率都处于带隙深处,失谐将不影响原子的自发辐射性质。


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