光学专业优秀论文光学专业优秀论文 多层介质中二能级原子自发辐射的非马尔科夫多层介质中二能级原子自发辐射的非马尔科夫过程及角分布研究过程及角分布研究关键词：两能级原子关键词：两能级原子 自发辐射自发辐射 微腔微腔 非马尔科夫记忆函数非马尔科夫记忆函数 量子光学量子光学摘要：原子的自发辐射现象是量子光学领域的基本问题之一。由于原子发生自 发辐射的时刻是无规的，因此它是光电子器件中量子噪声的来源，改变和控制 自发辐射的研究已成为激光物理与技术的热门课题。 目前对自发辐射的控制 的研究大体有以下几个方面：(1)利用已有的或人工设计的环境，通过改变与原 子耦合的库实现对自发辐射的控制；(2)利用外加相干场或原子本身不同跃迁通 道的量子干涉效应改变自发辐射；(3)利用原子系统与观测器件的耦合(量子测 量)控制激发态的衰减；(4)其他的一些方法，如利用多个衰减态间的相互作用 控制自发辐射。 本文研究在多层结构中两能级原子的自发辐射的非马尔科夫 过程。 在第二章中，主要研究了多层结构中二能级原子非马尔科夫自发衰减 过程的记忆函数。按照 Weisskopf-Wigner 理论(W-W 近似)，原子在自由真空中 以指数形式自发衰减，瞬时衰减率是常数，该结论对经过了充分长的时间后的 稳态衰减是准确的，但在原子衰减的最初几个光学周期(fs 量级)的时间尺度上， 自发辐射的、W-W 近似不再成立。理论研究表明原子的自发辐射衰减本质上是 一个与衰减“历史”有关的非马尔科夫动力学过程，瞬时衰减率是随时间变化 的；在原子跃迁的最初几个光学周期的时间尺度上，这种与衰减“历史”关联 的记忆效应特别显著，存在自发衰减加速的过程(量子反 Zeno 效应)；这种记忆 效应可以用一个记忆函数来描述。我们用多层结构中的正交归一完备的电磁模 函数展开场算符，将电磁场量子化，得到多层结构的微腔中原子与光场的相互 作用哈密顿量，建立原子与场的动力学方程，在此基础上定义二能级原子自发 辐射衰减的非马尔科夫过程的记忆函数。我们发现记忆函数正比于原子与库的 耦合谱的 Fourier 变换。在自发衰减的早期阶段，记忆函数急速下降，形成一 定宽度的峰，该峰的宽度代表非马尔科夫自发衰减过程的记忆时间；当反射光 回到原子的位置时，原子才感受到环境(多层结构)的存在，记忆函数呈现有规 律的逐渐变弱的突变，记忆效应越来越微弱。我们发现耦合谱的宽度影响记忆 时间。宽的耦合谱将导致短的记忆时间。 论文的第三章主要研究了由一维多 层结构(一维光子晶体)构成的微腔中二能级原子自发衰减的角分布。将腔中与 原子耦合的辐射场二次量子化后，在 W-W 近似下得到了三种典型一维有限光子 晶体微腔中衰减几率随角度分布的数值结果。结果显示衰减几率的角度分布不 仅与光子晶体的结构有关，还依赖于原子偶极矩的空间取向以及原子在腔中的 位置。当原子偶极矩与微腔界面平行时，辐射场的 TE、TM 模式对衰减率都有贡 献，衰减率的角度分布是辐射场波矢的方位角 和 的函数；当原子偶极矩 与微腔界面垂直时，只有辐射场的 TM 模式对自发衰减有贡献，衰减率的角度分 布仅与角度 有关，并且关于整个一维结构的轴向旋转对称。正文内容正文内容原子的自发辐射现象是量子光学领域的基本问题之一。由于原子发生自发 辐射的时刻是无规的，因此它是光电子器件中量子噪声的来源，改变和控制自 发辐射的研究已成为激光物理与技术的热门课题。 目前对自发辐射的控制的 研究大体有以下几个方面：(1)利用已有的或人工设计的环境，通过改变与原子 耦合的库实现对自发辐射的控制；(2)利用外加相干场或原子本身不同跃迁通道 的量子干涉效应改变自发辐射；(3)利用原子系统与观测器件的耦合(量子测量) 控制激发态的衰减；(4)其他的一些方法，如利用多个衰减态间的相互作用控制 自发辐射。 本文研究在多层结构中两能级原子的自发辐射的非马尔科夫过程。在第二章中，主要研究了多层结构中二能级原子非马尔科夫自发衰减过程的 记忆函数。按照 Weisskopf-Wigner 理论(W-W 近似)，原子在自由真空中以指数 形式自发衰减，瞬时衰减率是常数，该结论对经过了充分长的时间后的稳态衰 减是准确的，但在原子衰减的最初几个光学周期(fs 量级)的时间尺度上，自发 辐射的、W-W 近似不再成立。理论研究表明原子的自发辐射衰减本质上是一个 与衰减“历史”有关的非马尔科夫动力学过程，瞬时衰减率是随时间变化的； 在原子跃迁的最初几个光学周期的时间尺度上，这种与衰减“历史”关联的记 忆效应特别显著，存在自发衰减加速的过程(量子反 Zeno 效应)；这种记忆效应 可以用一个记忆函数来描述。我们用多层结构中的正交归一完备的电磁模函数 展开场算符，将电磁场量子化，得到多层结构的微腔中原子与光场的相互作用 哈密顿量，建立原子与场的动力学方程，在此基础上定义二能级原子自发辐射 衰减的非马尔科夫过程的记忆函数。我们发现记忆函数正比于原子与库的耦合 谱的 Fourier 变换。在自发衰减的早期阶段，记忆函数急速下降，形成一定宽 度的峰，该峰的宽度代表非马尔科夫自发衰减过程的记忆时间；当反射光回到 原子的位置时，原子才感受到环境(多层结构)的存在，记忆函数呈现有规律的 逐渐变弱的突变，记忆效应越来越微弱。我们发现耦合谱的宽度影响记忆时间。 宽的耦合谱将导致短的记忆时间。 论文的第三章主要研究了由一维多层结构 (一维光子晶体)构成的微腔中二能级原子自发衰减的角分布。将腔中与原子耦 合的辐射场二次量子化后，在 W-W 近似下得到了三种典型一维有限光子晶体微 腔中衰减几率随角度分布的数值结果。结果显示衰减几率的角度分布不仅与光 子晶体的结构有关，还依赖于原子偶极矩的空间取向以及原子在腔中的位置。 当原子偶极矩与微腔界面平行时，辐射场的 TE、TM 模式对衰减率都有贡献，衰 减率的角度分布是辐射场波矢的方位角 和 的函数；当原子偶极矩与微腔 界面垂直时，只有辐射场的 TM 模式对自发衰减有贡献，衰减率的角度分布仅与 角度 有关，并且关于整个一维结构的轴向旋转对称。 原子的自发辐射现象是量子光学领域的基本问题之一。由于原子发生自发辐射 的时刻是无规的，因此它是光电子器件中量子噪声的来源，改变和控制自发辐 射的研究已成为激光物理与技术的热门课题。 目前对自发辐射的控制的研究 大体有以下几个方面：(1)利用已有的或人工设计的环境，通过改变与原子耦合 的库实现对自发辐射的控制；(2)利用外加相干场或原子本身不同跃迁通道的量 子干涉效应改变自发辐射；(3)利用原子系统与观测器件的耦合(量子测量)控制 激发态的衰减；(4)其他的一些方法，如利用多个衰减态间的相互作用控制自发 辐射。 本文研究在多层结构中两能级原子的自发辐射的非马尔科夫过程。 在第二章中，主要研究了多层结构中二能级原子非马尔科夫自发衰减过程的记忆函数。按照 Weisskopf-Wigner 理论(W-W 近似)，原子在自由真空中以指数形 式自发衰减，瞬时衰减率是常数，该结论对经过了充分长的时间后的稳态衰减 是准确的，但在原子衰减的最初几个光学周期(fs 量级)的时间尺度上，自发辐 射的、W-W 近似不再成立。理论研究表明原子的自发辐射衰减本质上是一个与 衰减“历史”有关的非马尔科夫动力学过程，瞬时衰减率是随时间变化的；在 原子跃迁的最初几个光学周期的时间尺度上，这种与衰减“历史”关联的记忆 效应特别显著，存在自发衰减加速的过程(量子反 Zeno 效应)；这种记忆效应可 以用一个记忆函数来描述。我们用多层结构中的正交归一完备的电磁模函数展 开场算符，将电磁场量子化，得到多层结构的微腔中原子与光场的相互作用哈 密顿量，建立原子与场的动力学方程，在此基础上定义二能级原子自发辐射衰 减的非马尔科夫过程的记忆函数。我们发现记忆函数正比于原子与库的耦合谱 的 Fourier 变换。在自发衰减的早期阶段，记忆函数急速下降，形成一定宽度 的峰，该峰的宽度代表非马尔科夫自发衰减过程的记忆时间；当反射光回到原 子的位置时，原子才感受到环境(多层结构)的存在，记忆函数呈现有规律的逐 渐变弱的突变，记忆效应越来越微弱。我们发现耦合谱的宽度影响记忆时间。 宽的耦合谱将导致短的记忆时间。 论文的第三章主要研究了由一维多层结构 (一维光子晶体)构成的微腔中二能级原子自发衰减的角分布。将腔中与原子耦 合的辐射场二次量子化后，在 W-W 近似下得到了三种典型一维有限光子晶体微 腔中衰减几率随角度分布的数值结果。结果显示衰减几率的角度分布不仅与光 子晶体的结构有关，还依赖于原子偶极矩的空间取向以及原子在腔中的位置。 当原子偶极矩与微腔界面平行时，辐射场的 TE、TM 模式对衰减率都有贡献，衰 减率的角度分布是辐射场波矢的方位角 和 的函数；当原子偶极矩与微腔 界面垂直时，只有辐射场的 TM 模式对自发衰减有贡献，衰减率的角度分布仅与 角度 有关，并且关于整个一维结构的轴向旋转对称。 原子的自发辐射现象是量子光学领域的基本问题之一。由于原子发生自发辐射 的时刻是无规的，因此它是光电子器件中量子噪声的来源，改变和控制自发辐 射的研究已成为激光物理与技术的热门课题。 目前对自发辐射的控制的研究 大体有以下几个方面：(1)利用已有的或人工设计的环境，通过改变与原子耦合 的库实现对自发辐射的控制；(2)利用外加相干场或原子本身不同跃迁通道的量 子干涉效应改变自发辐射；(3)利用原子系统与观测器件的耦合(量子测量)控制 激发态的衰减；(4)其他的一些方法，如利用多个衰减态间的相互作用控制自发 辐射。 本文研究在多层结构中两能级原子的自发辐射的非马尔科夫过程。 在第二章中，主要研究了多层结构中二能级原子非马尔科夫自发衰减过程的记 忆函数。按照 Weisskopf-Wigner 理论(W-W 近似)，原子在自由真空中以指数形 式自发衰减，瞬时衰减率是常数，该结论对经过了充分长的时间后的稳态衰减 是准确的，但在原子衰减的最初几个光学周期(fs 量级)的时间尺度上，自发辐 射的、W-W 近似不再成立。理论研究表明原子的自发辐射衰减本质上是一个与 衰减“历史”有关的非马尔科夫动力学过程，瞬时衰减率是随时间变化的；在 原子跃迁的最初几个光学周期的时间尺度上，这种与衰减“历史”关联的记忆 效应特别显著，存在自发衰减加速的过程(量子反 Zeno 效应)；这种记忆效应可 以用一个记忆函数来描述。我们用多层结构中的正交归一完备的电磁模函数展 开场算符，将电磁场量子化，得到多层结构的微腔中原子与光场的相互作用哈 密顿量，建立原子与场的动力学方程，在此基础上定义二能级原子自发辐射衰 减的非马尔科夫过程的记忆函数。我们发现记忆函数正比于原子与库的耦合谱的 Fourier 变换。在自发衰减的早期阶段，记忆函数急速下降，形成一定宽度 的峰，该峰的宽度代表非马尔科夫自发衰减过程的记忆时间；当反射光回到原 子的位置时，原子才感受到环境(多层结构)的存在，记忆函数呈现有规律的逐 渐变弱的突变，记忆效应越来越微弱。我们发现耦合谱的宽度影响记忆时间。 宽的耦合谱将导致短的记忆时间。 论文的第三章主要研究了由一维多层结构 (一维光子晶体)构成的微腔中二能级原子自发衰减的角分布。将腔中与原子耦 合的辐射场二次量子化后，在 W-W 近似下得到了三种典型一维有限光子晶体微 腔中衰减几率随角度分布的数值结果。结果显示衰减几率的角度分布不仅与光 子晶体的结构有关，还依赖于原子偶极矩的空间取向以及原子在腔中的位置。 当原子偶极矩与微腔界面平行时，辐射场的 TE、TM 模式对衰减率都有贡献，衰 减率的角度分布是辐射场波矢的方位角 和 的函数；当原子偶极矩与微腔 界面垂直时，只有辐射场的 TM 模式对自发衰减有贡献，衰减率的角度分布仅与 角度 有关，并且关于整个一维结构的轴向旋转对称。 原子的自发辐射现象是量子光学领域的基本问题之一。由于原子