光子晶体中单原子激光量子性质

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1、⑨硕士学位论文MASTER’STHESIS摘要单原子激光，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，是研究新颖的量子电动力学效应的一个重要的工具。自单原子微波激光器首次在实验上被实现后，对单原子的激光操控一直是激光理论领域的一个重要课题。目前，人们主要集中对单原子激光的量子理论的研究，以及它们在光子学、纳米技术和量子信息技术中的实际应用。本文首先研究了放置在光子带隙材料中单原子修饰态激光体系的统计性质。我们证明在原子的修饰态之间实现完全无阈值的激光是可能的。通过分析腔场的Mande

2、l’sQ参数来区分激光的阂值行为，研究发现其阈值行为取决于激光跃迁中是否存在自发辐射。当激光跃迁中自发辐射存在时，腔场的平均光子数所呈现的阂值行为表明系统可以作为普通的激光来操控。而当激光跃迁中自发辐射被禁止时，在所有的抽运值下，对系统进行观测均是无阈值，它说明系统实现了无阈值激光。而且我们还发现在无阈值的操控下，腔场的平均光子数随着抽运率的增加是非线性的增加的，并且在这一过程中伴随着亚泊松分布的光子统计。这表明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操控。我们还研究了系统的辐射性质，在双重修饰的

3、原子模型中，利用修饰态之间的跃迁解释了系统谱线的特征，并分析光子晶体库环境对原子的荧光谱和腔场的输出谱的影响。分析表明，随着原子跃迁频率与激光场频率的失谐的变化，系统的谱线发生了明显的改变，从双峰谱线结构变化到多峰谱结构，再从多峰谱结构变化到单峰谱结构。谱线的结构依赖于原子与腔场的耦合强度，腔场的衰减和光子晶体中原子的自发辐射以及腔场的光子数分布。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。而且我们还发现光子晶体中系统的谱线强度变强、谱线线宽变窄，并且有更多的新的谱线出现。在失谐万

4、《O的条件下，光子晶体中系统谱线的线宽度是普通腔场方案中谱线的线宽度的百分之六。这些线宽小于谱线的自然线宽和腔场的衰减率。关键词：自发辐射；共振荧光：量子回归定理：光子晶体带隙：亚泊松分布；双重修饰的原子模型；连分法⑨硕士学位论文MAS’rER’STHESISAbstractSingle—atomlaserorinaser，inwhichnomorethanoneatomOraquantumdotisininteractionwiththequantizedfieldofhigh—Qmicrocavity，

5、isallimportanttoolfortheinvestigationofnovelquantumelectrodynamiceffects。Ithasarousedwidespreadinter-estandconcernsinceoneatommicrolaserwasfirstrealizedexperimentallyin1985。Atpresent，researchintheareaofthelasertheoryismostlyfocusedonsingle—atomlasersandthe

6、irpracticalapplicationsinphotonics，nanoandquantumtechnologies。Inthispaper，Westudythestatisticalpropertiesofthecavityfieldfordressed—atomlaserinaphotonicband—gapmaterialaWedemonstratethecapabilityofcompletethresholdlesslasingoperationbetweendressedstatesofa

7、two-levelatomlocatedinsideamicroscopiccavityengineeredinaphotonicband—gapmaterial。Wedistinguishbe—tweenthresholdandthresholdlessbehavesbyanalyzingtheMandel’SQparameterforthecavityfield。Wefindthatthethresholdbehavedependsonwhetherthespontaneousemissionisori

8、snotpresentonthelasingtransition。Inthepresenceofthespontaneousemission，themeanphotonnumberofthecavityfieldexhibitsthresholdbehaviorindi—caringthatthesystemmayoperateasanordinarylaser。Ⅵr11明thespontaneousemis—s