含左手性材料的一維結(jié)構(gòu)中二能級原子的自發(fā)輻射.pdf

1、自發(fā)輻射是量子光學(xué)中的一個(gè)基本問題。由于真空漲落的影響，處于激發(fā)態(tài)的原子會(huì)自發(fā)的從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，并發(fā)出一個(gè)光子(輻射)。這一光子沒有固定的相位和方向，是隨機(jī)的。因此對于激光的產(chǎn)生、原子和光場相干性的保持，自發(fā)輻射的存在都是不利的。以前，人們認(rèn)為自發(fā)輻射是原子固有的性質(zhì)而對這一問題束手無策，直到1946年P(guān)urcell指出，把原子放置在腔中，將顯著改變原子的自發(fā)輻射。至此人們意識到自發(fā)輻射不僅決定于原子本身，還與原子所處的環(huán)境有關(guān)。如

2、果原子所處的環(huán)境模密度為0，原子的自發(fā)輻射將會(huì)被完全抑制。隨后，尋找特定的環(huán)境以改變原子的自發(fā)輻射成為了理論和實(shí)驗(yàn)的研究重點(diǎn)。除了微型腔、波導(dǎo)以外，1987年Yablonovitch和John提出的利用周期性排列電介質(zhì)形成的光子晶體來控制自發(fā)輻射，更是開辟了光子晶體這一研究領(lǐng)域。最近，一種被稱為左手性材料的新型人工材料引起了理論界和試驗(yàn)界的廣泛興趣。這種材料具有小于零的介電系數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率，但依然遵守麥克斯韋方程。由于其具有負(fù)的折射

3、現(xiàn)象以及相位補(bǔ)償效應(yīng)，關(guān)于負(fù)折射率材料的應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)展，包括完美透鏡、零平均折射率帶隙、亞波長諧振腔等等。 結(jié)合以上的一些研究動(dòng)態(tài)，我們這篇論文主要討論了包含左手性材料的一維結(jié)構(gòu)對原子自發(fā)輻射的影響，包括對原子輻射場分布、原子輻射率、原子的動(dòng)力學(xué)衰減過程的影響。 在第二章里，我們討論了由左手性材料和正常材料組成的多層結(jié)構(gòu)，在阻抗匹配條件下，對原子輻射場分布的影響。在這樣的條件下，原子的自發(fā)輻射率與在自由真空中一樣

4、，但左手性材料的負(fù)折射現(xiàn)象使得原子的輻射場在每一層中聚焦，并沿著垂直于界面的方向傳播，這種結(jié)構(gòu)類似一個(gè)波導(dǎo)，將自由真空中的球形擴(kuò)散發(fā)射轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ虬l(fā)射。因此我們可以在不改變原子輻射率的情況下控制原子自發(fā)輻射場的分布。 在第三章里，我們討論了包含左手性材料的一維結(jié)構(gòu)對原子自發(fā)輻射率的影響，并與通常的一維結(jié)構(gòu)作了對比。我們從簡單的三層結(jié)構(gòu)開始討論，發(fā)現(xiàn)被反射回來的輻射場，通過了左手性材料的要比通過對應(yīng)正常材料的要強(qiáng)。因此對于由反射場和

5、出射輻射的疊加而決定的最終的輻射率，包含左手性材料層的結(jié)構(gòu)要比通常結(jié)構(gòu)對原子的自發(fā)輻射產(chǎn)生更大影響，而輻射率對自由真空輻射率的偏離，在左手性材料情況下要大于正常材料的情況。這一結(jié)論也適用于包含左手性材料的光子晶體。通過與正常光子晶體的比較，我們發(fā)現(xiàn)包含左手性材料的光子晶體在更多的方向上具有極高的反射率，從而能更強(qiáng)烈的抑制原子的自發(fā)輻射。 在第四章里，我們考慮了在不包含色散和耗散的一維光子晶體里，原子的動(dòng)力學(xué)衰減過程。與以前討論原

6、子衰減動(dòng)力學(xué)的文章相比，我們沒有采用簡單的近似的庫函數(shù)，而是計(jì)算出了一維光子晶體實(shí)際的庫函數(shù)，并作為計(jì)算的基礎(chǔ)。通過數(shù)值計(jì)算，我們不僅得到了原子輻射的反射場被反射回來作用到原子的時(shí)間延遲效應(yīng)，而且在結(jié)果中包含了原子與場開始作用時(shí)的能量時(shí)間的不確定關(guān)系。也就是在原子與真空場、反射場剛剛開始作用時(shí)，原子的瞬時(shí)輻射率在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生巨大的變化。 在第五章里，我們討論了在包含左手性材料的一維結(jié)構(gòu)中，原子的動(dòng)力學(xué)衰減過程。由于左手性材料具

7、有負(fù)折射率的頻段都靠近材料的共振頻率，所以我們必須考慮到左手性材料的色散和耗散。相應(yīng)的，原子的自發(fā)衰減分為兩部分：輻射衰減和非輻射衰減。我們首先討論原子在左手性材料和金屬鏡組合而成的結(jié)構(gòu)的一側(cè)的情況，這種結(jié)構(gòu)在理想左手性材料的情況下能完全抑制原子的自發(fā)輻射。我們在左手性材料中引入了合理的色散和耗散，發(fā)現(xiàn)由于以上兩種衰減形式的存在，使得這種結(jié)構(gòu)雖然能很好地抑制原子自發(fā)輻射但并不能完全抑制，更不能將原子與結(jié)構(gòu)的距離延伸到宏觀距離。對于原子位