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光子晶体的应用引言光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。
在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。
现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。
为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。
与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。
依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。
光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。
目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。
1.光子晶体简介1．1光子晶体的由来与概念光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。
这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。
我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。
特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。
光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。
1987 年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。
光子晶体的制备及应用王文瀚12S011029 1 引言光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。
1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。
实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。
这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。
正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。
这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。
当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。
1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。
1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。
[1]2 光子晶体原理最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。
A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。
普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。
比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。
根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。
(a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构图1 光子晶体结构示意图一维光子晶体是由多层介质薄膜构成，在光子晶体概念提出以前，就已经得到广泛研究和应用，如分布布拉格光栅。
摘要自发辐射是量子信息的存储和传播、高频激光器及高精度测量等现代量子光学新发现的主要限制因素之一。
量子光学的一个重要课题就是探讨控制和改变自发辐射的方法，而研究光子晶体中原子自发辐射性质是其中一个重要内容。
光子晶体作为一种由介电函数周期性分布所形成的人工微结构，具有许多独特的性质，对光子的运动有着重要的影响。
本文研究了处于各向同性的一维光子晶体中的单个四能级原子的自发发射性质。
此四能级原子的两个上能级由相同的场模耦合到共同的基态并且同时由相干场驱动到一个辅助能级。
由于原子不同跃迁通道间的量子干涉和光子晶体能带带边的作用，自发发射被显著地抑制了。
我们还分析了原子的辐射场的性质。
通过改变驱动场的拉比频率可以达到控制原子自发发射的目的。
本文还研究了处于各向异性的三维光予晶体中。
且在强相干的低频场的驱动下的单个二能级原子的自发辐射性质。
由于低频场的影响，使得原子产生了在跃迁过程中吸收或发射一个低频光子的衰减渠道。
这些跃迁导致了自发辐射的量子干涉，再加上光子晶体能带带边的作用，自发辐射被显著抑制。
原子的布居捕获依赖于原子上能级与能带带边的相专业提供学术期刊、学位论文下载、外文文献检索下载服务 购买地址: 对位置，低频场的频率和原子不同跃迁通道间的相对跃迁强度。
并将结果与一维各向同性的结果进行比较，从而了解态密度对自发辐射的影响。
结果表明：由于态密度没有奇异性，辐射场中的局域场可以消失，弥散场在一定条件下会得到加强，并在辐射场中占主导地位。
关键词：光子晶体；自发发射；单个四能级原子；单个二能级原子；量子干涉ＡｂｓｔｒａｃｔＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｈａｓｔｕｒｎｅｄｏｕｔｔｏｂｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｓｅｖｅｒｅｌｉｍｉｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｓｔｏｒａｇｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｓｅｒｓ，ｈｉ曲ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄｍａｎｙｏｔｈｅｒｎｏｖｅｌｄｉｓｃｏｖｅｒｉｅｓｉｎｒｏｏｄ－ｅｒ＇ｎｑｕａｎｔｕｍｏｐｔｉｃｓ．Ａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｔｅｒｅｓｔｏｆｍｏｄｅｍｑｕａｎｔｕｍｏｐｔｉｃｓｉｓｔｏｄｅｖｉｓｅｗａｙｓｔｏｍｏｄｉｆｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｉｎｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓ—ｔａｌｓｉｓｉｍｐｏｒｔａｌｉｔｏｎｅｏｆｉｔ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓａｒｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙｃｒｅａｔｅｄｐｅｒｉｏｄｉｃｄｉ—ｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｈａｖｅｍａｎｙｎｏｖｅｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅａｇｏｏｄｗａｙｔ０ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｈｏｔｏｎｓ．Ｔｈｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆａｆｏｕｒ－ｌｅｖｅｌａｔｏｍｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎａｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅａｔｏｍｈａｓｔｗｏｕｐｐｅｒｌｅｖｅｌｓｃｏｕｐｌｅｄｂｙｔｈｅｓａｍｅｖａｃｕｕｎｌｍｏｄｅｓｔｏａｃｏｍｌｎｏｎｌｏｗｅｒｌｅｖｅｌａｎｄｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙａｃｏｈｅｒｅｎｔｆｉｅｌｄｔｏａｎａｕｘｉｌｉａｒｙｌｅｖｅｌ．Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｎｂｅｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｔｈｅｂａｎｄｅｄｇｅｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｅｍｉｔｔｅｄｂｙｔｈｅａｔｏｍｉｓａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ．ＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎＣａｎｂｅｍｏｄｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅＲａｂｉｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｉｅｌｄ．Ｗｅａｌｓｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｔｗｏ—ｌｅｖｅｌｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａａｔｏｍｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎａｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅ，ｔｈｅａｔｏｍｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙａｃｏｈｅｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｅｌｏｗ．ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｉｅｋｌ，ｗｈｉｃｈｃｒｅａｔｅｓａｄｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｃａｙｃｈａｎｎｅｌｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｃｈａｎｇｅｏｆｏｎｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｐｈｏｔｏｎｄｕｒｉｎｇａｎａｔｏｍｉｃｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａｐｐｌｉｅｄｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｖａｒｉｏｕｓ廿ａｎｓｉｔｉｏｎｐａｔｈｗａｙｓｍａｙｉｎｔｅｒｆｅｒｅ、“廿ｌｅａｃｈｏｔｈｅｒａｎｄｔｈｅｂａｎｄｅｄｇｅｅｆｆｅｃｔｅｘｉｓｔｓ，ＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎＣａｎｂｅｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｓｉｇ－ｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．西ｅａｔｏｍｉｃｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｌｅｖｅｌｓｆｒｏｍｔｈｅｂａｎｄｅｄｇｅ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｒｅｌ·ａｔｉｖｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｓｆｏｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ．ＢｅｃａｕｓｅｏｆｎＯｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙｉｎｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓ．一ｎ一ｓｉｏｎｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｗｈａｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｗｉｔｈｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｓｏｔｒｏｐｉｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｗｅｆｉｎｄｔｈｅｌｏｃａｌｉｚｅｄｆｉｅｌｄｃａｎｄｉｓａｐｐｅａｒａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆｉｅｌｄｃａｎｂｅｃｏｍｅｉｎｔｅｎｓｅｉｎｓｏｍｅｒｅｇｉｏｎｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ；ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎ；ａｆｏｕｒ－ｌｅｖｅｌａｔｏｍ；ａｔｗｏ－ｌｅｖｅｌａｔｏｍ；ｑｕａｎｔｕｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ—ＩＩＩ—⑩硕士学位论文ＭＡＳＴＥＲ’ＳＴＨＥＳＩＳ华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取褥的研究成果。
