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基于半导体量子阱自发辐射相干对弱场传输的影响

作　者: 陈渊
导　师: 陈爱喜
学　校: 华东交通大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 自发辐射相干电磁诱导透明吸收色散半导体量子阱
分类号: O471.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

自发辐射通常被认为是导致量子系综退相干的主要原因之一，但多个自发辐射通道在一定条件下也能够产生量子相干效应从而改变介质的光学性质，这就是自发辐射相干效应（Spontaneously Generated Coherence）。自发辐射相干效应作为非常重要的量子相干效应的一种，可以产生一系列有趣的物理现象，如：相干布居捕获（Coherent PopulationTrapping）、无反转光放大（Lasing Without Inversion）、电磁诱导透明（ElectromagneticallyInduced Transparency）、克尔非线性效应（Kerr Effect）、慢光（Slow light）等。在早期，基于自发辐射诱导相干效应的量子光学现象研究几乎都是在原子体系下进行，由于发生自发辐射诱导相干需求存在近简并能级，这点在实际原子体系中很难满足。虽然有些人提出了一系列办法来回避产生自发辐射诱导相干效应的苛刻条件，但也都只是在理论上大胆设想并未得到实验的验证，因此这些想法都只是停留在理论的构想阶段，实验上很难复现，就导致了实用性不强。但随着半导体技术的发展和半导体材料掺杂技术的不断提高，新型的半导体量子阱介质，亦可称作人造原子，成为了研究材料光学性质的良好载体，其规格可以根据实际问题的需要进行人为设定，利用半导体量子阱材料的这一特殊的性质，基于半导体量子阱中研究自发辐射相干效应就显得极其有意义。和原子体系相比，半导体量子阱有很多固有的优点且在实验上容易匹配到好的结果。本论文在两种不同结构的半导体量子阱中分别用概率幅方法和密度矩阵方法讨论了自发辐射相干效应对弱探测场传输的影响，论文一共分为四章，具体内容如下：（1）综述了所研究问题的背景知识。（2）介绍了处理光与物质相互作用的半经典理论，以及所研究问题的基础理论工具。（3）用概率幅方法研究了一束低强度探测脉冲光场在一个非对称半导体量子阱中的传输特性。结果表明：在设定相同参数条件下,随着自发辐射相干强度的增大,介质对弱场的吸收明显得到抑制,当自发辐射相干强度接近最大值时,介质对光场吸收为零,介质变得透明。此外,随着自发辐射相干强度的增加,系统的非线性显著增强,色散曲线变得更陡,色散最大值也进入透明窗口。（4）用密度矩阵方法研究了一束弱探测脉冲光场和一束强耦合场耦合的一个非对称耦合双量子阱，在固定的控制场频率、衰减率和失谐量下，通过由自发辐射相干产生的交叉耦合系数来调控介质对探测场吸收和色散的变化。结果表明：随着自发辐射相干强度的不断增大,系统的透明窗口会不断变窄，同时，色散曲线会变得更陡，在此系统中是有可能出现慢光效应的，系统的非线性效应得到了有效增强。自发辐射相干效应可以使光和物质相互作用的量子过程发生改变，以上基于半导体量子阱介质研究此效应，有助于加深人们对物理过程的理解和改善量子系统的特性，对基础理论研究有着十分重要意义；同时，又对许多实验和应用技术有着潜在的应用价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
主要符号说明  9-10
第一章绪论  10-16
  1.1 引言  10
  1.2 量子相干效应  10-11
  1.3 电磁诱导透明研究背景  11-12
  1.4 半导体量子阱介绍  12-14
  1.5 自发辐射诱导相干研究背景  14
  1.6 论文的结构和主要内容  14-16
第二章基础理论与工具  16-32
  2.1 描述量子系统的三种基本绘景  16-17
  2.2 光与物质相互作用的半经典理论  17-21
    2.2.1 光与物质相互作用的哈密通量和偶极近似  17-18
    2.2.2 二能级原子与光场的相互作用  18-21
  2.3 光场在介质中的传播  21-23
    2.3.1 慢变化振幅方程  21-22
    2.3.2 介质的极化强度和极化率  22-23
  2.4 电磁诱导透明理论  23-25
  2.5 自发辐射相干理论  25-30
    2.5.1 自由空间的自发辐射（Weisskopf-Wigner 理论）  25-27
    2.5.2 具有自发辐射相干的基本位型  27-30
  2.6 半导体量子阱分立能级结构  30-32
第三章非对称半导体量子阱中自发辐射相干诱导透明  32-40
  3.1 引言  32-33
  3.2 理论模型和动力学方程  33-36
  3.3 结果与讨论  36-38
  3.4 结论  38-40
第四章非对称半导体双量子阱中型双通道自发辐射相干对弱场传输的影响  40-49
  4.1 引言  40-41
  4.2 理论模型和动力学方程  41-46
  4.3 结果与讨论  46-48
  4.4 结论  48-49
第五章总结  49-50
  5.1 主要工作回顾  49
  5.2 本文研究内容改进和展望  49-50
参考文献  50-55
个人简历在读期间发表的学术论文  55-56
致谢  56

基于半导体量子阱自发辐射相干对弱场传输的影响

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