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含左手性材料的一维结构中二能级原子的自发辐射

许静平  
【摘要】: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,处于激发态的原予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。


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