论文题目: 新型人工电磁介质光学特性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 沈建其
导师: 何赛灵
关键词: 人工电磁介质,负折射率材料,量子光学,经典电磁理论,量子相干介质,电磁感应透明,四能级系统,磁偶极矩跃迁,局域场修正,手征,各向异性,场量子化
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 电磁感应透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)介质与负折射率介质(Negative index media,NIM)是当前光学与材料领域中两种热门新型人工电磁介质.本文利用经典电磁理论、半经典理论以及量子理论与方法研究了这两种人工电磁介质的光学特性.这两种电磁介质本身又具有紧密联系:即选择适当的原子系统与原子数密度,在一定的耦合光强度条件下,EIT介质对于探针光某一频率区间而言具有负的介电系数与负的磁导率.也就是说,在一定的条件下,EIT介质能转化为负折射率介质(NIM),本文用了两章篇幅来研究EIT相干原子介质在探针光可见光频段实现各向同性负折射率之可能性。 本论文诸章内容(背景、结果与意义)如下: 第一章介绍了EIT介质与NIM介质的光学与电磁学特性.先介绍了原子量子相干效应与EIT效应自1970年代以来三十多年的研究简史、EIT效应的主要特点(有丰富的近共振行为譬如:在共振频率处对探针光的零吸收、接近于真空的折射率、共振频率附近的强色散)、潜在应用(如耦合光对探针光的相干操纵、可实现无布居数翻转的激光、放大的Kerr非线性、剧烈改变折射率等)与具体应用(如同位素分离、电磁感应光栅、电磁感应聚焦、减慢光速与超光速、冷冻光速、原子相干信息存贮与读写、吸收型双光子开关等);推导了多能级原子系统因原子能级跃迁所导致的感应(电、磁)极化强度、跃迁偶极矩(矩阵元)以及由此得到的介电系数与磁导率表达式;还给出了如何对多能级原子气体的电、磁极化引入局域场修正的数学形式,对负折射率材料最近几年的研究简史做了概述,本章中所提及的理论、概念、方法与手段在以下诸章中都会被用到或者涉及到。 第二章研究了几个与三能级系统有关的量子相干问题以作为本论文的先导性课题.证明了EIT效应对外界微挠具有几率幅稳定性、获得了整个三能级系统的三个正交归一缀饰态并指出了它们与通常文献中的二能级缀饰态及为解释EIT效应而引入的暗态等概念的联系、研究了三能级EIT系统中因量子自干涉效应有可能存在真空自发辐射抑止的可能性,并提出实现该可能性的物理条件。 第三、四两章研究了使得三能级Lambda型EIT原子气体介质同时具有负的介电系数与负的磁导率并成为负折射率介质(NIM)的物理机制与具体条件(包括原子能级位型、耦合光强度、探针光频段、原子气体密度等),在第三章中,产生负的磁导率的磁偶极跃迁(Lambda型系统的两个低能级之间)并不源自探针光磁场的直接激发,而是来自于探针光电场的间接感应(由耦合光做中介),也就是说三能级中两个低能级之间的磁跃迁其实是由低能级与第三个能级(最高能级)之间的电偶极跃迁间接驱动的,我们证明了:在探针光的一定频段内,该三能级原子系统同时具有负的介电系数与负的磁导率,但这一章中我们没有考虑局域场修正问题,在第四章中我们提出了另一种实现负磁导率的机制,即Lambda型系统的两个低能级之间的磁跃迁由探针光的磁场直接激发,一般来说,对于大多数原子介质,因为磁偶极跃迁矩阵元总比电偶极跃迁矩阵元小两个数量级,磁跃迁贡献因此很弱,总是可以将它忽略不计,但在EIT情形(耦合光的强度远比探针光强度大这一条件)下,与耦合光作用的低能级的几率幅会远比
论文目录:
第一章 人工电磁介质光学特性
§1.1 引言
§1.2 量子相干效应研究简史
§1.3 电磁感应透明介质之应用
§1.4 处理量子相干系统的基本理论半经典电磁理论
§1.5 介质电与磁响应的局域场修正
§1.6 二、三、四能级的光学吸收与色散效应
§1.7 负折射系数材料
§1.8 关于本论文
第二章 几个与电磁感应透明效应有关的子问题
§2.1 引言
§2.2 电磁感应透明现象的几率幅稳定性
§2.3 三能级系统的缀饰态
§2.4 三能级系统真空自发辐射之抑止
第三章 原子水平光波频段负折射率
§3.1 引言
§3.2 介电系数与磁导率表达式
§3.3 证明负折射率的存在
§3.4 结论
第四章 光子共振材料与负折射率
§4.1 引言
§4.2 理论机制
§4.3 局域场修正
§4.4 数值作图
§4.5 讨论
第五章 三能级与四能级相干原子气体介质中的局域场修正
§5.1 引言
§5.2 三能级原子介质中的局域场修正
§5.3 四能级N-型相干原子介质中的局域场修正
第六章 双各向同性材料中的场量子化
§6.1 引言
§6.2 电磁能量密度
§6.3 电磁场量子化
第七章 螺旋向性手征介质中的负折射率
§7.1 引言
§7.2 螺旋向性手征介质概念
§7.3 对本构关系的讨论
§7.4 时谐波的波矢
§7.5 讨论
§7.6 举例说明
第八章 正负材料交界面上光波的额外相位跃变
§8.1 引言
§8.2 模型哈密顿量
§8.3 几何相位
§8.4 讨论
第九章 双轴各向异性负折射率材料光纤中光子波函数几何相位研究
§9.1 引言
§9.2 在非共面光纤中光子非绝热非循回几何位
§9.3 在双轴各向异性左手征材料中光波的传播
§9.4 双轴各向异性左手征介质光纤中偏振光几何相位
§9.5 结论
第十章 双轴螺旋向性负材料中极化光波的左-右旋偏振耦合
§10.1 引言
§10.2 双轴螺旋向性负材料中极化光的左-右耦合
§10.3 对频移的讨论
§10.4 左-右耦合效应物理起源
第十一章 波导介质对量子化光场与原子物质波的操纵
§11.1 引言
§11.2 量子真空几何相位及其探测方案
§11.3 原子光纤中物质波演化的唯象描述
§11.4 螺旋光纤系统中的非绝热条件几何相移
第十二章 全文总结
浙江大学沈建其在硕博阶段发表论文统计
沈建其在硕博阶段获得奖学金与荣誉一览
致谢
发布时间: 2006-07-19
参考文献
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