光子晶体中原子行为的理论研究

论文摘要

目前,国际上已经报道了多种光子晶体激光器的实验工作,但是理论工作方面,解析理论只能得出一些形式的定性的结论,无法精确的定量。已有的数值计算工作大部分集中在讨论光子晶体激光器的本征光场分布和微腔的Q值。本文采用时域有限差分(FDTD)的方法时时的研究宽带自由偶极子、二能级原子与光场的相互作用。原子与场相互作用采用半经典理论处理。 本论文首先给出了自由偶极子在光子晶体结构中的辐射功率谱,结果显示,在光子晶体禁带中,自由偶极子的辐射被完整光子晶体结构抑制,而频率为缺陷结构本征频率的辐射被缺陷结构增强。同时我们还分析了源点位置不同时,对自由偶极子辐射产生的影响。 其次利用半经典理论,即采用密度矩阵描述原子行为,而用麦克斯韦方程组描述光场,研究了二维光子晶体中激发态二能级原子的辐射特性。结果显示:跃迁频率处于禁带中的激发态原子的自发辐射被光子晶体结构抑制;跃迁频率为缺陷结构本征频率的激发态原子可以在缺陷结构中维持稳定的Rabi振荡。 最后,利用集居数矩阵对泵浦情况下激光器特性进行初步模拟,结果显示光子晶体微腔结构能有效的降低激光器的阈值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 激光器的基本原理
• §1.2 光子晶体激光器的优势和进展
• §1.3 本课题的研究意义和内容
• 第二章 光子晶体时域有限差分法
• §2.1 二维光子晶体中的麦克斯韦方程组
• §2.2 差分方法及网格划分
• §2.3 吸收边界条件
• §2.4 小结
• 第三章 光子晶体中自由偶极子辐射特性
• §3.1 周期结构中自由偶极子辐射特性
• §3.2 缺陷结构中自由偶极子辐射特性
• §3.3 小结
• 第四章 光子晶体中原子辐射特性
• §4.1 半经典理论和密度矩阵
• §4.2 激发态原子的辐射特性
• §4.3 泵浦情况下的光子晶体激光器初步模拟
• §4.4 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献