光子晶体中单原子激光的量子性质

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1、⑨硕士学位论文MASTER’STHESIS引言单原子激光(one—atomlaser)，即单个原子或单个量子点与高品质因子的光学微腔的量子场相互作用的系统，是研究光场的量子性质的～个最基本的模型，作为一个有趣的课题也被研究很多年了【l一3】。虽然单原子激光是一个简单的模型，但是在实现激光时比起传统的多原子的激光理论有更多的好处，不仅不需要考虑原子数的起伏，而且单原子的激光操控具有低阂值，接近于无阈值的激光。1985年，单原子微波激光器首次在实验上被实现，随后对单原子的激光操控一直是激光理论领域所关注的一个重要课题。单原子激光的操控引起了人们广泛的兴趣。近年来

2、，在高品质因子的光学微腔中由激光场驱动的单个原子体系的激光机制方案己实现【描】。并在理论上证实单原子激光的性质大大的不同于传统的多原子体系激光。单原子激光可产生无反转激光【7】，压缩【8，9】，真空的拉比分裂[10】，引起定态的布局反转和共振荧光的增强[11】，光予的反聚束和亚泊松光子统计[12，13】。另外一方面，随着人们对原子自发辐射的探讨，光子晶体因其对原子自发辐射显著的调控特点而得到越来越多的关注。光子带隙的存在给理论物理的发展，尤其是量子光学的发展带来了很多新的物理现象和新的应用[14-19】。在光子晶体的领域，人们提出了许多研究原子自发辐射性质的

3、方案。例如：T．Quang[20]研究了光子带隙中单个三能级原子的自发辐射的相干控制；朱诗尧，羊亚平等研究了处于三维光子晶体中单原子的自发辐射特性和兰姆位移[21，22】；L．Florescu等人【23】考虑放置在光子晶体库环境中与高品质因子微腔强耦合的单个二能级原子体系的腔场性质，研究发现相比普通腔场方案，此方案能得到更强的荧光场强度和更好的相干性。接着L．Florescu【24]又分析了系统的腔场谱，他指出光子晶体中的光谱特性从根本上有别于普通腔场中相应的辐射谱，当微腔共振频率发生在完全带隙中时，激光谱线只有弹性分量。随后Tanrong，Gao-xian

4、gLi[25]也研究了位于光子晶体微腔中单原子激光的腔场谱性质，他们发现在非Seculaf近似下，腔场出现压缩，腔场谱线的线宽变窄。前面光子晶体中激光理论[23。24]均讨论当腔场频率与MoUow荧光谱的中心峰频率共振时系统的性质，但这样是不利于非经典光的产生，因此我们通过数值模拟研究了当腔场频率与Mollow荧光谱的低频峰共振时系统的量子性质，通过分析发现系统实现了无阈值的激光，而且在无阈值的操控下，有非经典光的产生。系统的辐射性质研究表明，系统谱线的分布与腔场的光子数分布是直接相关的，系1⑨硕士学位论文MAS’rER’STHESIS统谱线的测量给我们提供

5、了～种非侵入测量腔场的光子数分布的方法，而且我们发现光子晶体中系统的谱线强度变强、谱线的线宽变窄，并且有更多的新的谱线出现。这些的变化均源于光子晶体库环境的辐射。本文具体内容如下：第一章我们研究了位于光子晶体微腔中，由外加相干激光场驱动的单个二能级原子系统的光子统计性质，利用数态截断基的思想，数值计算了腔场的平均光子数(n)和表征着光子数统计l拘Mandel’sQ参数，并在一定的条件下给出它们解析的分析。通过分析发现该系统实现了无阈值激光。其阈值行为取决于激光跃迁中自发辐射是否存在。而且，我们发现在无阂值的操控下，腔场的平均光子数随着抽运率是非线性的增加的，

6、并且在这一过程中伴随着亚泊松分布的光子数统计。这些结果同时也表明利用光子晶体单原子激光作为一种有效的非经典光的来源是完全可能的，非经典的光子统计可以用来区分修饰态原子激光的非线性的操控。第二章我们沿用第一章中的系统模型，采用矩阵连分法数值计算原子与腔场耦合系统的原子的荧光谱和腔肠的输出谱。讨论在不同失谐下，系统谱线的变化。并在双重修饰的原子模型中，分析了光子晶体库环境的引入对系统谱线的影响，利用修饰态之间的跃迁解释了系统谱线的特征。研究表明，系统谱线的分布是与腔场的光子数分布直接相关的，因此对系统谱线的测量给我们提供了一种非侵入测量腔场的光子数分布的方法，而

7、且我们发现光子晶体中系统的谱线强度变强、谱线的线宽变窄，并且有更多的新的谱线出现。在一定的条件下，光子晶体中系统谱线的线宽远远的小于普通腔场方案中谱线的线宽度。它们小于谱线的自然线宽和腔场的衰减率。第三章我们给出了本文的总结和展望2⑨硕士学位论文MASTER’STHESIS第一章光子带隙材料中无阈值的修饰态原子激光单原子激光是研究低强度激光操作的一个基本模型，大量的理论研究和实验表明，单原子激光的性质不同于传统的多原子体系激光，它不但可以产生非经典光【8，9，12，13】，而且可以用来作为产生单光子脉冲的有效光源【30】。近期，光子晶体中单原子系统的自发辐射

8、性质引起人们的关注[26-29]，如文献[23，24