饱和及反饱和吸收介质中的慢光和超光速研究

论文摘要

最近几年以来,慢光（vg<c,vg为光在介质中传播的群速度,c为真空中的光速）和超光速（vg>c或者vg<0）作为一种新的物理现象,以及其具有的潜在应用前景,在光学、材料学等领域越来越引起人们的重视。但是,从一定程度上来说,慢光和超光速的研究作为一个很新的课题目前还有很多方面不完善,对于很多基本的物理机制和实践问题还有待解决。作者正是从目前该领域现状出发,以慢光和超光速产生的具体物理机理结合理论的创新为基础,并以实验上在新的介质中实现慢光和超光速传播为过渡,最后利用新的实验现象总结慢光和超光速现象的物理原因作为本论文的最终目的,撰写了本论文。通过本论文可以加深理解慢光和超光速现象,为将来慢光和超光速的具体应用提供理论和实验的支持。首先,本文介绍了关于光的速度的几种定义,回顾了最近几年慢光和超光速领域的相关研究进展,重点介绍了包括电磁感应透明技术和相干布居振荡技术等慢光和超光速研究方法。通过分析以上方法的不足之处,提出了密度矩阵的理论方法,通过理论计算说明了该方法的实用性。第二,通过理论分析认为,具有饱和吸收特性的介质中可以实现慢光,而具有反饱和吸收特性的介质中可以实现超光速。利用该方法实验上选择在可见光区具有反饱和吸收特性的C60作为介质,实验观测到超光速现象,验证了该理论的正确性。另外,针对C60甲苯溶液本身不适合做成固体器件的缺点,实验中将C60通过掺杂的方法做成C60PMMA固体,并进一步观测了超光速行为,为将来的实际应用奠定了基础。第三,在酞菁镓反饱和吸收体中观测到了超光速现象。实验结果进一步证明了文中提出的通过分析介质非线性光学特性来针对性选择慢光以及超光速介质理论的正确性以及指导意义。第四,目前,对于慢光和超光速信号的理解还局限于利用色散的方法。本文中利用K-K色散关系,从吸收的角度直观地对慢光和超光速现象进行了解释。针对目前无法对介质慢光和超光速信号进行跟踪观测的现状,文中首次提出了一种通过对信号光添加标记来实现跟踪信号演化情况的方法,并利用该方法成功的跟踪观测了在饱和吸收体中慢光信号和在反饱和吸收体中超光速信号的演化情况。实验结果表明,介质对信号非对称的吸收和放大是在饱和及反饱和吸收体中产生慢光和超光速直接原因。文中还讨论了在饱和以及反饱和吸收介质中信息速度的问题。结果表明,无论在慢光还是超光速条件下,信息速度与群速度都不相等,并且不会超过真空光速。这一结论与狭义相对论因果关系相一致。第五,在掺铒光纤中通过信号跟踪方法观测并分析了无泵浦光情况下慢光信号和有泵浦光时超光速信号的演化情况。实验结果和理论分析更进一步说明了介质对周期信号的非对称吸收和放大是慢光和超光速产生的直接原因。本论文的研究成果发展了慢光和超光速现象研究的理论和实验方法。直接揭示了饱和及反饱和吸收介质中慢光和超光速产生的深刻物理机制,对于更进一步研究提供了理论和实验指导,并为慢光和超光速技术的发展和应用提供了相应的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光速的几种定义
• 1.2.1 相速度
• 1.2.2 群速度
• 1.2.3 信息速度
• 1.2.4 能量速度
• 1.2.5 信号中心速度
• 1.3 可控的慢光和超光速的应用
• 1.4 可控的光速变慢和超光速研究进展
• 1.4.1 电磁感应透明（EIT）技术下的慢光和超光速研究
• 1.4.2 相干布居振荡（CPO）技术下的慢光和超光速研究
• 1.4.3 受激布里渊散射（SBS）技术下的慢光和超光速研究
• 1.4.4 受激拉曼散射（SRS）技术下的慢光和超光速研究
• 1.4.5 其它相关技术下的慢光和超光速研究
• 1.5 本课题主要研究目的，内容和意义
• 1.5.1 本课题的研究目的和内容
• 1.5.2 本课题的研究意义
• 1.6 本章小结
• 第2章 非线性介质中慢光和超光速产生的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 Kromers-Kronig 色散关系
• 2.3 电磁感应透明技术产生慢光和超光速的物理机制
• 2.3.1 电磁感应透明技术
• 2.3.2 电磁感应透明技术下实现慢光和超光速的理论基础
• 2.4 相干布居振荡技术产生慢光和超光速的物理机制
• 2.4.1 相干布居振荡效应
• 2.4.2 相干布居振荡效应下实现慢光和超光速的理论基础
• 2.5 密度矩阵理论
• 2.6 本章小结
• 60和酞菁镓反饱和吸收介质中超光速现象的理论和实验研究'>第3章 C₆₀和酞菁镓反饱和吸收介质中超光速现象的理论和实验研究
• 3.1 引言
• 60 反饱和吸收介质中超光速现象的理论和实验研究'>3.2 C₆₀反饱和吸收介质中超光速现象的理论和实验研究
• 60 的分子结构和能级结构分析'>3.2.1 C₆₀的分子结构和能级结构分析
• 3.2.2 密度矩阵理论的建立
• 3.2.3 初步的理论计算
• 60 中超光速研究的实验设计'>3.2.4 C₆₀中超光速研究的实验设计
• 60 甲苯溶液中的超光速实验研究'>3.2.5 在514.5nm 波长下C₆₀甲苯溶液中的超光速实验研究
• 60 甲苯溶液中的超光速实验研究'>3.2.6 在532nm 波长下C₆₀甲苯溶液中的超光速实验研究
• 60PMMA 固体中的超光速实验研究'>3.2.7 在532nm 波长下C₆₀PMMA 固体中的超光速实验研究
• 3.3 酞菁镓反饱和吸收介质中超光速现象的理论和实验研究
• 3.3.1 酞菁材料的结构特性以及光学性质
• 3.3.2 酞菁镓的能级结构以及与光场作用的密度矩阵理论
• 3.3.3 酞菁镓中超光速现象的理论分析
• 3.3.4 酞菁镓中超光速现象观测的实验设计
• 3.3.5 酞菁镓中超光速现象观测的实验结果和分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 在饱和及反饱和吸收介质中利用不同的信号波形观测信号的演化
• 4.1 引言
• 4.2 慢光在红宝石中演化的观测
• 4.2.1 红宝石中慢光现象的理论解释
• 4.2.2 红宝石中慢光演化现象观测的实验设计
• 4.2.3 红宝石中慢光演化现象的实验结果和讨论
• 60 中演化的观测'>4.3 快光在C₆₀中演化的观测
• 60 中快光现象的理论解释'>4.3.1 C₆₀中快光现象的理论解释
• 60 中快光演化现象观测的实验设计'>4.3.2 C₆₀中快光演化现象观测的实验设计
• 60 中快光演化现象实验结果和讨论'>4.3.3 C₆₀中快光演化现象实验结果和讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 掺铒光纤中慢光和超光速信号演化行为研究
• 5.1 引言
• 5.2 掺铒光纤中慢光和超光速的初步介绍
• 5.3 掺铒光纤中慢光和超光速现象的理论基础
• 5.3.1 相干布居振荡的理论模型
• 5.3.2 调制信号与铒离子相互作用的速率方程的理论模型
• 5.4 掺铒光纤中慢光和超光速信号演化的直接观测
• 5.4.1 实验设计
• 5.4.2 实验的结果和讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历