光子带隙材料及亚波长微结构材料中等离子体共振导致的量子相干效应

我们对两类光学材料-光子晶体及左手材料中的量子相干效应进行了理论研究。光子带隙材料通常是指人工制作的具有光子通带和禁带的光学材料，它可以用来控制光场的传输及某些微观过程。光子晶体是典型的光子带隙材料，光子晶体的周期性结构导致其中的原子的量子光学性质与自由空间中明显不同，例如出现光局域化与原子自发辐射的抑制、光子-原子束缚态、二能级原子布居数囚禁等现象。最近的研究还表明心，特殊的态密度分布会导致感应透明现象，使得原子对与其共振的探测光场的吸收趋于零。这与电磁感应透明（EIT）类似，但不需要外加耦合场来建立相干。我们系统地研究了光子晶体特殊态密度产生的量子相干效应，包括三能级系统的感应透明、无反转增益、光速减慢等，及四能级系统的自发辐射和光开关效应，发现强的量子相干效应导致原子辐射与吸收性质产生多方面的改变。     

具有态守恒赝隙的光子晶体中两能级原子自发辐射的增强与抑制

论证了在赝带隙光子晶体中存在一个全频率域态总数守恒规则，在完全带隙光子晶体中还存在一个局域态总数守恒规则.态总数守恒规则指出，如果一个光子晶体的态密度在某些频率范围存在相对于等效介质态密度的谷，则一定由其他频率范围内相对于等效介质态密度的峰来补偿.使用符合态总数守恒规则的态密度模型，解释了态密度调制导致的自发辐射谱增强、抑制、变窄、红移、蓝移以及谱分裂等光子晶体中的量子光学现象.该理论比较适合研究在具有赝带隙的光子晶体中大量随机分布的发光原子或分子的自发辐射行为. 关键词： 光子晶体 自发辐射 态密度 光子赝带隙     

利用电磁感应透明介质调控一维光子晶体带隙结构

应用传输矩阵法研究了由电磁感应透明材料构成的一维光子晶体带隙结构.计算结果表明:通过改变控制光的拉比频率可以调控一维光子晶体的禁带宽度.随着拉比频率的增加,EIT原子气体的相对折射率也随着增加.随着拉比频率的逐渐加大,光子晶体的禁带宽度变得越来越窄,但变化变得越来越慢,即增加相同大小的拉比频率其影响越来越小.     

光子晶体特性在EIT介质中的实验实现

基于原子相干效应,研究了在驻波场作用下原子介质的吸收和折射率的周期性调制所产生的周期性微结构特性及其操控。实验结果表明,在驻波场作用下原子介质存在与光子晶体同样的光子带隙特性,而且可通过调节形成驻波的两束光的频率差实现对其光子带隙位置的操控,实现了光子带隙20MHz的频率移动。     

调控电磁感应透明气体折射率实现可控光子带隙结构

提出了电磁感应透明(EIT)介质的一个新的相干操纵应用：控制电磁感应透明气体折射率实现可控光子带隙结构. 将一定密度的EIT原子气体充入以砷化钾为背景的椭圆孔柱中，计算表明该三角晶格排列椭圆柱光子晶体的光子带隙随外控制场而变. 通过调控自发辐射率、无辐射衰变率、控制光Rabi频率、原子数密度等外参数以及椭圆结构几何参数，在高频率区域得到了大小约0.0503ω_e(ω_e=2πc/a)的完全光子带隙.     

二维电磁感应光子带隙的动态生成与调控

研究了由两个垂直传播的强驻波激光场共同耦合的一个四能级Tripod型冷⁸⁷Rb原子介质的稳态光学响应特性. 结果发现, 当两驻波场满足双光失谐条件时, 可在这两驻波场的传播方向上同时获得反射率高达95%以上的电磁感应光子带隙结构; 通过适当调节强激光场, 还可实现一个方向为光子带隙而另一个方向为透明窗口或者两个方向均为透明窗口的结构. 并且光子带隙和透明窗口的频宽和位置是可调谐的. 这种全光控制的二维的信号光禁闭和导通机制可用于实现全光开关和全光路由, 有利于复杂的全光通讯网络的开发. 关键词： 相干诱导光子带隙 电磁感应透明 周期调制原子相干     

一维原子晶格中基于电磁感应透明的可调控光子带隙

利用电磁感应透明技术,在一维光晶格中相干驱动四能级N模型冷原子,实现动力学可调谐电磁感应光子带隙结构.在该原子系统中,光晶格中的原子密度呈高斯分布,使整个介质的密度在空间上呈周期性分布,导致探测场的折射率被空间调制,从而产生带隙结构.理论计算表明:基于两强耦合场的双暗态共振作用,探测场的吸收谱出现两个透明窗口;当满足Bragg条件时,探测场的三个不同频率区域内光子态密度减小,形成光子带隙结构.另外,改变两个耦合场的强度和失谐可以有效地调控光子带隙的宽度和位置.     

含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究

利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究. 关键词： 超导光子晶体 传输矩阵法 特异材料 光子带隙     

正方介质柱光子晶体中异常传输现象研究

研究了电磁波在二维正方介质柱光子晶体中的传输,发现处于第一频带部分带隙的电磁波在不同界面切割方向上不同角度入射时可分别产生全反射及复杂异常折射现象如自准直现象、负折射现象.首先利用平面波展开法从理论上研究正方介质柱正方晶格光子晶体的频带结构及等频线,然后通过时域有限差分法来仿真研究光子晶体在第一频带部分带隙的传输特性.当光子晶体的界面切割沿着ΓX方向时,由于光子晶体内无本征模能够被有效地激发,入射波束被完全反射,这与光子带隙导致的全反射具有本质的不同;当光子晶体的界面切割方向沿着ΓM时,归因于其扁平的等频线,一定角度范围内入射的波束在光子晶体内几乎沿同方向传输即产生自准直现象.     

基于晶格效应的光子晶体带隙特性研究

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类,利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构,讨论归一化半径对其带隙的影响,比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明:单胞含多个"原子"的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙,还容易产生TE模和TM模的完全带隙,进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值,(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.     

一维光子晶体光学特性的复平面波展开法研究

应用复平面波展开法对一维光子晶体的光子带隙,透射特性进行了分析.通过对色散关系表透射系数的数值计算发现一维光子晶体周期结构个数以及折射率分布对光学晶体透射系数以及光子带隙的影响.对于含有整数个周期结构的光子晶体有共振点出现在光子带隙外的频率范围内,共振点的个数比周期结构个数少1.带隙倾斜斜率等于折射率的比值.折射率比值越大,带隙的范围越大.     

异质镜像光子晶体的光子带隙研究

对异质镜像结构光子晶体(ABCCBA)^N进行了研究。首先,利用一维介电体系中处理光传播的方法--传输矩阵法,详细推导了异质镜像光子晶体透射率的计算公式;然后,采用Matlab软件编程仿真并分析了光子带隙形成与镜像周期数目、光子带隙数目与光子晶体薄层厚度、光子带隙位置与入射角大小等的关系。结果表明:光子带隙的形成及变化主要受光子晶体薄层厚度及入射角大小变化的影响。通过改变影响光子晶体光子带隙的参数,可得到不同频段的光子带隙,用来制作高质量反射镜、滤波器和发光二极管等。     

一维光子晶体光学特性的复平面波展开法研究

应用复平面波展开法对一维光子晶体的光子带隙, 透射特性进行了分析. 通过对色散关系和透射系数的数值计算发现一维光子晶体周期结构个数以及折射率分布对光学晶体透射系数以及光子带隙的影响. 对于含有整数个周期结构的光子晶体有共振点出现在光子帯隙外的频率范围内, 共振点的个数比周期结构个数少1. 带隙倾斜斜率等于折射率的比值. 折射率比值越大, 带隙的范围越大.     

二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算

二维单斜点阵光子晶体在光学聚焦器件及光子晶体波导中有重要的应用价值，详细讨论了二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算，并与常规方法计算得出的二维正三角形晶格光子晶体的带隙结构进行了比较.最后讨论了临界条件下二维单斜点阵光子晶体的带隙结构，证明了本方法的有效性.     

空气环型二维光子晶体完全带隙特性研究

采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙. 关键词： 空气环型二维光子晶体 完全带隙 平面波展开法     

全带隙光子晶体中依赖原子位置的衰减动力学性质

介绍一个二能级原子在全带隙光子晶体带边附近的衰减动力学行为 .发现原子位置的变化会根本地改变激发原子的衰减特性 :由于光场和原子之间局域耦合强度的巨大差异 ,导致Weisskopf Wigner和非Weisskopf Wigner衰减现象 .预言可通过控制原子的位置来实现人工剪裁荧光光谱     

FCC结构胶体光子晶体的制备及其带隙特性测量

基于对光纤传输特性和胶体光子晶体制备方法的研究,提出了用外加电场控制的方法制备光子带隙位于通讯波段的FCC结构的胶体光子晶体,并用光纤系统测试胶体光子晶体的带隙特性.采用RSOFT模拟了胶体光子晶体的带隙,分析了带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量(微球折射率和直径).采用自组装的方法,用步进电机控制玻璃基片向上的拉升速率.速率为5 μm/s,同时外加一电场.用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌,并设计了单模光纤系统测量胶体光子晶体的带隙特性.测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙中心波长为1552 nm.测试结果和模拟结果具有很好的一致性,误差只有2 nm.     

双能带三维光子晶体中二能级原子的自发辐射

研究了双能带三维光子晶体中二能级原子自发辐射的性质.由于双能带各向异性色散关系的影响，辐射场中的局域场和传输场不能共存，导致原子上能级占据数不再具有准周期性振荡的性质，而是随时间趋于常数，或者随时间按幂函数形式衰减，或者随时间按指数形式衰减.这些性质不仅与原子上能级和能带带边的相对位置有关，而且与光子晶体上、下能带之间的能隙宽度有关.这些性质也有别于单能带各向同性光子晶体中二能级原子自发辐射的性质. 关键词： 光子晶体 二能级原子 自发辐射     

不同结构光子晶体的带隙特性

基于平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟了横磁波和横电波在三角晶格和正方晶格构成的二维光子晶体中的带隙特性,得到了三角晶格较正方晶格更容易出现带隙,且三角晶格的横电波光子带隙较大.实验结果为光子晶体器件的设计提供理论依据.     

含左手材料异质结构光子晶体的零平均折射率带隙的展宽

运用光学传输矩阵理论,研究了含左手材料一维二元光子晶体的禁带特性.提出了含左手材料的光子晶体异质结构中零平均折射率带隙展宽的方法.根据此方法设计的异质结构的光子晶体形成的零平均折射率带隙,与一维光子晶体零平均折射率带隙相比,零平均折射率带隙的宽度和相对带隙宽度可以得到显著的拓宽.而且它的零平均折射率带隙的边缘与TM波和TE波相关.这种特性在微型谐振腔、天线基片、同轴波导等方面都具有潜在的应用.