新型人工電磁介質(zhì)光學(xué)特性研究.pdf

1、電磁感應(yīng)透明(Electromagneticallyinducedtransparency，EIT)介質(zhì)與負(fù)折射率介質(zhì)(Negativeindexmedia，NIM)是當(dāng)前光學(xué)與材料領(lǐng)域中兩種熱門新型人工電磁介質(zhì).本文利用經(jīng)典電磁理論、半經(jīng)典理論以及量子理論與方法研究了這兩種人工電磁介質(zhì)的光學(xué)特性.這兩種電磁介質(zhì)本身又具有緊密聯(lián)系：即選擇適當(dāng)?shù)脑酉到y(tǒng)與原子數(shù)密度，在一定的耦合光強(qiáng)度條件下，EIT介質(zhì)對(duì)于探針光某一頻率區(qū)間而言具有負(fù)的介

2、電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率.也就是說，在一定的條件下，EIT介質(zhì)能轉(zhuǎn)化為負(fù)折射率介質(zhì)(NIM).本文用了兩章篇幅來研究EIT相干原子介質(zhì)在探針光可見光頻段實(shí)現(xiàn)各向同性負(fù)折射率之可能性. 本論文諸章內(nèi)容(背景、結(jié)果與意義)如下：第一章介紹了EIT介質(zhì)與NIM介質(zhì)的光學(xué)與電磁學(xué)特性.先介紹了原子量子相干效應(yīng)與EIT效應(yīng)自1970年代以來三十多年的研究簡(jiǎn)史、EIT效應(yīng)的主要特點(diǎn)(有豐富的近共振行為譬如：在共振頻率處對(duì)探針光的零吸收、接近于真空

3、的折射率、共振頻率附近的強(qiáng)色散)、潛在應(yīng)用(如耦合光對(duì)探針光的相干操縱、可實(shí)現(xiàn)無布居數(shù)翻轉(zhuǎn)的激光、放大的Kerr非線性、劇烈改變折射率等)與具體應(yīng)用(如同位素分離、電磁感應(yīng)光柵、電磁感應(yīng)聚焦、減慢光速與超光速、冷凍光速、原子相干信息存貯與讀寫、吸收型雙光子開關(guān)等)；推導(dǎo)了多能級(jí)原子系統(tǒng)因原子能級(jí)躍遷所導(dǎo)致的感應(yīng)(電、磁)極化強(qiáng)度、躍遷偶極矩(矩陣元)以及由此得到的介電系數(shù)與磁導(dǎo)率表達(dá)式；還給出了如何對(duì)多能級(jí)原子氣體的電、磁極化引入局域場(chǎng)

4、修正的數(shù)學(xué)形式.對(duì)負(fù)折射率材料最近幾年的研究簡(jiǎn)史做了概述.本章中所提及的理論、概念、方法與手段在以下諸章中都會(huì)被用到或者涉及到. 第二章研究了幾個(gè)與三能級(jí)系統(tǒng)有關(guān)的量子相干問題以作為本論文的先導(dǎo)性課題.證明了EIT效應(yīng)對(duì)外界微撓具有幾率幅穩(wěn)定性、獲得了整個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)的三個(gè)正交歸一綴飾態(tài)并指出了它們與通常文獻(xiàn)中的二能級(jí)綴飾態(tài)及為解釋EIT效應(yīng)而引入的暗態(tài)等概念的聯(lián)系、研究了三能級(jí)EIT系統(tǒng)中因量子自干涉效應(yīng)有可能存在真空自發(fā)輻射抑

5、止的可能性，并提出實(shí)現(xiàn)該可能性的物理?xiàng)l件. 第三、四兩章研究了使得三能級(jí)Lambda型EIT原子氣體介質(zhì)同時(shí)具有負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率并成為負(fù)折射率介質(zhì)(NIM)的物理機(jī)制與具體條件(包括原子能級(jí)位型、耦合光強(qiáng)度、探針光頻段、原子氣體密度等).在第三章中，產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率的磁偶極躍遷(Lambda型系統(tǒng)的兩個(gè)低能級(jí)之間)并不源自探針光磁場(chǎng)的直接激發(fā)，而是來自于探針光電場(chǎng)的間接感應(yīng)(由耦合光做中介)，也就是說三能級(jí)中兩個(gè)低能級(jí)之間

6、的磁躍遷其實(shí)是由低能級(jí)與第三個(gè)能級(jí)(最高能級(jí))之間的電偶極躍遷間接驅(qū)動(dòng)的.我們證明了：在探針光的一定頻段內(nèi)，該三能級(jí)原子系統(tǒng)同時(shí)具有負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率.但這一章中我們沒有考慮局域場(chǎng)修正問題.在第四章中我們提出了另一種實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的機(jī)制，即Lambda型系統(tǒng)的兩個(gè)低能級(jí)之間的磁躍遷由探針光的磁場(chǎng)直接激發(fā).一般來說，對(duì)于大多數(shù)原子介質(zhì)，因?yàn)榇排紭O躍遷矩陣元總比電偶極躍遷矩陣元小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，磁躍遷貢獻(xiàn)因此很弱，總是可以將它忽略不計(jì).但在

7、EIT情形(耦合光的強(qiáng)度遠(yuǎn)比探針光強(qiáng)度大這一條件)下，與耦合光作用的低能級(jí)的幾率幅會(huì)遠(yuǎn)比高能級(jí)的幾率幅大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使得與探針光磁躍遷有關(guān)的能級(jí)密度矩陣元比與探針光電躍遷有關(guān)的密度矩陣元大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由此補(bǔ)償了前面提到的“磁偶極躍遷矩陣元比電偶極躍遷矩陣元小兩個(gè)數(shù)量級(jí)”這一先天不足，從而有可能在一定的窄頻段內(nèi)獲得較大的磁偶極躍遷貢獻(xiàn)甚至導(dǎo)致負(fù)的磁導(dǎo)率.我們對(duì)此做了理論計(jì)算，得到了該三能級(jí)EIT介質(zhì)的介電系數(shù)與磁導(dǎo)率的解析式.數(shù)值作圖

8、表明，該EIT介質(zhì)在一定的原子氣體密度條件下在一定的探針光頻段內(nèi)的確能同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率.這一章中我們考慮了局域場(chǎng)修正問題.與以往基于經(jīng)典電磁理論實(shí)現(xiàn)負(fù)的折射率方案相比，該方案具有材料各向同性、光波頻段等特點(diǎn). 第五章研究三、四能級(jí)原子介質(zhì)的局域場(chǎng)修正問題.局域場(chǎng)效應(yīng)來源于臨近原子的相互作用(臨近原子或分子對(duì)本原子的誘導(dǎo)極化).一般說來，在EIT的探針光共振頻率附近，因?yàn)闃O化率趨于零(但極化率對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù)卻是巨大的

9、)，不必考慮局域場(chǎng)修正，所以文獻(xiàn)中一般也不提及局域場(chǎng)效應(yīng).但是我們認(rèn)為有兩種情形是有必要考慮局域場(chǎng)修正的：一是考慮稠密氣體的光學(xué)性質(zhì)；而是考慮探針光遠(yuǎn)離共振(但又不十分遠(yuǎn)離共振)的行為.一些文獻(xiàn)在遇到這些情形時(shí)，也沒有考慮局域場(chǎng)修正問題.在本章中，我們考慮極化率、介電系數(shù)以及探針光群速的局域場(chǎng)修正，將結(jié)果與不考慮局域場(chǎng)修正的結(jié)果做了比較，并給出在典型EIT實(shí)驗(yàn)條件(如一定耦合光強(qiáng)度大小)下區(qū)別稠密氣體與稀薄氣體的臨界密度. 第六

10、章研究了手征材料中的電磁場(chǎng)量子化問題.近來，Dung，Milonni等人給出了一般各向同性負(fù)折射率材料中電磁場(chǎng)量子化版本并研究了負(fù)材料中的原子自發(fā)輻射與愛因斯坦吸收發(fā)射系數(shù)等問題，澄清了一些因負(fù)的光學(xué)參數(shù)所帶來的疑難與“佯謬”.由于手征材料也有可能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率，因此我們專門研究了手征材料中的電磁場(chǎng)量子化問題，得到了量子化的電磁能量密度與量子化的Poynting矢量. 第七章提出了用螺旋向性(gyrotropic)手征材料來實(shí)現(xiàn)n

11、ihility并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的可能性.最近，Tretyakov，Pendry等人提出手征材料中有可能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率.手征材料中本征模式的折射率為n±=√εμ±α(其中α為手征參數(shù))，一旦ε，μ之一很小或者為零(nihility)，那么n±之一就有可能為負(fù)數(shù)，但必須是在ε，μ的共振頻率附近(可見光波段)才能使得占，μ很小或者為零.我們?cè)诒菊轮刑岢隼寐菪蛐允终鞑牧?其ε，μ為二階張量)來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率，得到本征模式的折射率為n±=√(ε

12、1±ε)(μ1±μ2)±α(ε1，μ1為介電張量與磁導(dǎo)率張量的對(duì)角元素，ε2，μ2為螺旋向性參數(shù)).此時(shí)為了得到nihility，不必在共振頻率附近，只要ε1=±ε2與μ1=±μ2這四個(gè)條件之中有一個(gè)條件成立即可.由于近來Jonsson與Flytzanis等人提出了一套螺旋向性參數(shù)產(chǎn)生與放大機(jī)制，這導(dǎo)致極有可能實(shí)現(xiàn)螺旋向性材料中的gyrotropicnihility效應(yīng)，所以我們希望本章中所提出的方案能作為實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的途徑之一.

13、 由于第三、四章研究了用EIT介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的機(jī)制與條件，在以下幾章我們特別研究負(fù)折射率介質(zhì)(包括異向介質(zhì))的光學(xué)特性. 第八章至第十章研究了雙軸各向異性負(fù)材料中光傳播過程中的一些量子效應(yīng)，如因正負(fù)材料交界面上光波的波矢瞬時(shí)翻轉(zhuǎn)由此導(dǎo)致光子螺旋度(helicity)的翻轉(zhuǎn)，這類似數(shù)字電路中二進(jìn)制0與1的翻轉(zhuǎn).由于光子螺旋度也可以帶有信息，因此這種螺旋度翻轉(zhuǎn)有可能具有信息論意義；研究了光子螺旋度翻轉(zhuǎn)所帶來的幾何相位(量子Ber

14、ry'sphase)問題；研究了各向異性材料中的一種新的真空效應(yīng)(光子的量子真空幾何相位).在各向異性材料或者非均勻材料中出現(xiàn)真空效應(yīng)，本身并不稀奇，譬如光子晶體對(duì)其內(nèi)真空自發(fā)輻射衰變率的影響就是因?yàn)楣庾泳w的帶隙結(jié)構(gòu)也對(duì)真空漲落場(chǎng)的模式分布結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了修正.由于各向異性(負(fù))材料對(duì)左右螺旋光具有不同的極化與折射率影響(也影響真空模式結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致對(duì)量子真空漲落場(chǎng)左右偏振光子的非抵消效應(yīng))，因此使得左右偏振光子的真空幾何相位不致抵消，出現(xiàn)

15、該真空效應(yīng). 第十一章為一些交叉課題(interdisciplinarytopics)：波導(dǎo)介質(zhì)對(duì)量子化光場(chǎng)與原子物質(zhì)波的操縱，如研究了彎曲光纖介質(zhì)對(duì)光量子效應(yīng)(量子真空漲落)的影響，并提出用螺旋向性(gyrotropic)材料來探測(cè)該光量子效應(yīng)；提出了原子物質(zhì)波在螺旋光纖中傳播的唯象描述理論；研究了螺旋光纖中光子幾何相位對(duì)未來拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值. 第十二章為本論文總結(jié)與展望.扼要總結(jié)了全文，提出了有待繼續(xù)進(jìn)