原子晶格中基于自发辐射相干效应的光子带隙

利用电磁感应透明技术,在一维光晶格中相干驱动四能级Lambda模型冷原子系统,从而实现动力学可调谐电磁感应光子带隙结构。基于两邻近能级间的自发辐射相干(SGC)效应,通过控制耦合场从远共振到共振,使该原子系统实现从两个光子带隙转变为三个光子带隙的动态过程。当自发辐射相干效应不存在时,在探测场共振区域处探测光子被原子系统强烈吸收,因此感应光子带隙严重形变甚至无法形成。通过数值计算证明光子带隙结构的形成源自于自发辐射相干效应下探测场和耦合场之间的三阶交叉克尔(Kerr)非线性调制,并且通过控制耦合场的耦合方式,可以实现系统从两个光子带隙到三个光子带隙的动力学调控。     

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。     

Er3+:YAlO3晶体中Λ型四能级系统的量子相干左手性

用相干量子干涉和电磁感应透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)效应在Er3+:YAlO3晶体中计算得到了Thommen,Mandel和Kastel对原子气提出的Λ型四能级系统的负折射率.计算结果得到的负折射率对应的频带宽度约为1 MHz,比先前报道的103 Hz量级要宽得多.通常而言对应于折射/吸收比Re[n]/lm[n]≈1,而计算所得结果是Re[n]/lm[n]为4.6,表明吸收被EIT效应很好地抑制.Im[n]出现的负值可能与Er3+的4I13/2→4I15/2跃迁的受激发射有关.由此可知,稀土离子掺杂材料具有丰富的能级和各种不同的电磁跃迁,也是电磁感应负折射率材料中出色的应用材料的候选者.     

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     

一维冷原子晶格中相干诱导三光子带隙

基于电磁感应透明技术,将相干耦合的Tripod型原子俘获在一维光晶格中并使其呈高斯型分布,由于介质的折射率被一维光晶格周期性调制,从而实现动态调控的三光子带隙结构.通过求解光场与原子相互作用密度矩阵方程以及光波在周期性介质中散射的传输矩阵方程,计算出探测场在相干驱动介质中的稳态反射谱和透射谱.计算结果表明:光子带隙的位置、宽度以及反射率可以通过改变两个耦合场的失谐、强度和几何布拉格失谐来调谐.     

四能级Tripod-型原子系统中量子相干导致的交叉Kerr非线性效应

计算了四能级Tripod-型原子系统中探针光极化率随其频率失谐量的变化曲线.结果表明,当触发光作用于该系统的一个共振跃迁能级时,可使探针光的吸收和色散在其电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)窗口(由耦合光产生)处发生显著变化.随着触发光Rabi频率的增加,探针光在EIT窗口的吸收显著降低,色散显著增加.这种由触发光引起的探针光极化率的变化对应着三阶Kerr非线性光学效应,这一效应在偏振量子相位门中有着潜在的应用价值.     

基于自发辐射相干效应的可调光子带隙反射率的提高方法

光子带隙是指某一频率范围的波不能在周期变化的空间介质中传播,即这种结构本身存在“禁带”,并已成功地应用于滤波器、放大器和混频器等器件的设计中.此前,许多专家都致力于提高带隙的反射率,但其只能逐渐接近1.本文在囚禁于一维光晶格中的冷原子介质中实现两个可调光子带隙,并通过选择两基态为精细结构的三能级∧型原子系统,考虑自发辐射相干效应来探究这两个带隙的反射率.适当调节参数,探测场出现增益,从而获得较高反射率的带隙结构,甚至可以超过1.此外,两个带隙反射率还可以通过调节偶极矩之间的夹角以及非相干驱动场强度等参数来操控.     

Tripod-type四能级原子系统中的非线性效应

研究了Tripod-type四能级原子与三光场相互作用系统的量子干涉效应.结果显示在一定条件下当控制场的拉比频率改变时,探测场对应的介质色散曲线可以实现从反常色散到正常色散的转变,出现了开关效应.在一定参数条件下共振-近共振区域会出现电磁感应透明.     

在双Lamder模型中实现可调控光子带隙

研究驻波场相干驱动下四能级双Lamder模型的电磁感应光子带隙。当耦合场是远共振或共振时,来自于两邻近能级间的自发辐射相干效应(SGC)有助于实现一个或两个光子带隙。当自发辐射相干效应不存在时,探测场被原子系统强烈吸收,因此导致光子带隙严重形变甚至无法形成。数值结果表明,光子带隙结构是由SGC效应导致探测场和耦合场之间的相干增强Kerr非线性调制而产生,并改变驻波场的耦合方式,使系统实现单光子带隙转变为双光子带隙的动态调控。     

在双Lamder模型中实现可调控光子带隙

研究驻波场相干驱动下四能级双Lamder模型的电磁感应光子带隙.当耦合场是远共振或共振时,来自于两邻近能级间的自发辐射相干效应(SGC)有助于实现一个或两个光子带隙.当自发辐射相干效应不存在时,探测场被原子系统强烈吸收,因此导致光子带隙严重形变甚至无法形成.数值结果表明,光子带隙结构是由SGC效应导致探测场和耦合场之间的相干增强Kerr非线性调制而产生,并改变驻波场的耦合方式,使系统实现单光子带隙转变为双光子带隙的动态调控.     

Modulation of four-wave mixing via photonic band gap

The dressed four-wave mixing （FWM） in a four-level S5Rb atomic system, experimentally demon- strated in this paper, is comprised by two coexisting processes. One is emission signal due to enhanced nonlinear via electromagnetically induced transparency （EIT）. The other is the Bragg reflection of probe beam because of the created photonic band gap （PBG）, which is affected by both linear and third-order nonlinear susceptibility. Moreover, we have demonstrated that different experimental parameters can significantly influence the measured signal with flexibly controlled PBG. These studies are found useful for understanding the fundamental mechanisms in generated FWM processing.     

六角蜂窝结构光子晶体异质结带隙特性研究

利用蜂窝结构光子晶体具有两个范围较大绝对带隙的特性，设计新型六角蜂窝结构光子晶体异质结，采用平面波展开和超晶胞相结合的方法来研究异质结的能带结构特性.给出异质结的结构和相应的能带图，分析异质结界面传导模，研究两侧结构作横向拉开和侧向滑移时对传导模的影响，讨论这些结构的实际可行性.计算结果表明，没有任何晶格移动，此种结构异质结在绝对带隙中就有导模存在，两边晶格横向拉开对导模影响较大，而侧向滑移的影响则较小. 关键词： 光子晶体 异质结 光子带隙 超晶胞     

Design and optimisation of multimode 1D photonic band gap waveguide

The modal characteristics of planar waveguides with photonic band gap guiding properties are studied. It is demonstrated that a slight deviation from the periodicity in the photonic band gap multilayers can result in multimode transmission within the guiding layer. Possible applications of the results for avoiding single mode regime destruction due to fabrication process imperfection, as well as for designing such waveguides for conventional and emerging new applications of multimode photonic devices, are pointed out.     

Design and optimisation of multimode 1d photonic band gap waveguide

The modal characteristics of planar waveguides with photonic band gap guiding properties are studied. It is demonstrated that a slight deviation from the periodicity in the photonic band gap multilayers can result in multimode transmission within the guiding layer. Possible applications of the results for avoiding single mode regime destruction due to fabrication process imperfection, as well as for designing such waveguides for conventional and emerging new applications of multimode photonic devices, are pointed out.     

四能级原子系统中的电磁诱导吸收

以三个电偶极跃迁(中间跃迁作为探测跃迁、两边分别是耦合跃迁和控制跃迁)构成N型四能级系统为例，研究介质对探测光的吸收.揭示了在N型四能级系统中，既可产生电磁诱导吸收又可产生电磁诱导透明.这不仅取决于非相干转移率的大小，而且还取决于耦合场、控制场的强度和第四个简并能级的衰减速率大小. 关键词： 电磁诱导吸收 电磁诱导透明 原子相干的自发转移 能级的衰减速率     

Superluminal propagation in plasma photonic band gap materials

Electromagnetic wave propagation in one-dimensional plasma photonic crystal (PPC) made of alternate thin layers of two materials namely plasma and dielectric materials is theoretically studied. Dispersion relation is obtained. Group velocity, effective group index, reflectivity and superluminal behavior have been studied. The study of the reflectivity plot shows that the designed structure works as a perfect reflector/mirror in a certain range of frequency. Left-right and up-down symmetries (and flip-flop) are observed when we study the variation of group velocity with frequency. Abnormal behavior of group velocity (negative) inside the PPC structure creates the superluminal propagation of electromagnetic waves. The marked existence of symmetries may be exploited for directional switching in optical circuits.     

Theoretical study on the photonic band gap in one-dimensional photonic crystals with graded multilayer structure

We theoretically investigate the photonic band gap in one-dimensional photonic crystals with a graded multilayer structure. The proposed structure constitutes an alternating composite layer (metallic nanoparticles embedded in TiO2 film) and an air layer. Regarding the multilayer as a series of capacitance, effective optical properties are derived. The dispersion relation is obtained with the solution of the transfer matrix equation. With a graded structure in the composite layer, numerical results show that the position and width of the photonic band gap can be effectively modulated by varying the number of the graded composite layers, the volume fraction of nanoparticles and the external stimuli.     

受限原子蒸气/电介质周期层状结构中光子带隙的厚度调制

周期性受限原子蒸气/电介质层光子带隙（PBG）宽度及其诱导的反射平顶随蒸气层厚度 d的增大而变宽,并在 （ 为原子的共振波长)时达到最大值,之后随d的增大呈变窄趋势. 随着蒸气厚度的增大,带隙的中心频率产生红移,厚度越大,红移量越大. 研究还发现,共振波长处的反射及透射谱具有迪克窄化结构. 这种可调谐的PBGs结构可望用于全光反射镜及滤波器.