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近年来的研究工作证明可以对在介质中传播的光脉冲群速度实现特殊的控制。自从Hau等人于1999年在超低温钠原子气体中利用EIT效应观测到17米/秒的超慢光现象,大量关于超快和超慢光速传输的新实验和新现象相继被报道。比如,利用电磁感应透明、相干粒子布居数振荡、受激布里渊散射和受激拉曼散射、非简并二波耦合过程、以及空间调制的周期性结构(如:光子晶体、耦合谐振微腔、微环结构、光栅)中,都能不同程度地实现光速减慢和光速加快,并能实现慢光到快光的转换。随着人们对光群速调控现象认识的增加和研究的深入,无论在开发制作可控光延迟器件、光通讯、信息的存储和处理等应用方面,还是在探讨光传播以及光和物质相互作用等基础理论研究方面,都可带来令人欣喜的进展。
值得注意的是,目前光群速调控研究的热点,已经由单纯地实现某种程度的光速减慢和光速加快转移到实现较大的延迟-带宽积上面来。究其原因,主要是考虑到实际应用问题:如果要想实现大信息量、超高速的信息传输、存储和处理,就需要使用超短脉冲-比如皮秒甚至飞秒脉冲-来作为信息传输的载体。由于超短脉冲包含很宽的频谱范围,所以对构造宽频域内的光速减慢或加快窗口提出相应的要求。“减慢-带宽积”正是这样一个描述光速调控效率的值,正如Q值之于激光谐振腔的重要性。作者水平有限,只能就该问题做些粗浅的探究。
本文就微结构、尤其是特殊光栅结构中的色散和光群速调控做了简单的探讨,并对红宝石晶体中的光速加快进行了实验研究。下面是本文的主要章节内容:
在第一章分析和介绍了有关光群速调控的主要方面,包括:光速研究的发展,因为历史地看待一个问题能使我们获得所研究事物的清晰图象。在经典物理框架内介绍了光群速的概念和经典色散理论,并引入光速调控的主要物理模型,作为全文研究工作的理论基础。对超光速现象引发的悖论进行了简要探讨,随后介绍了几个典型的关于光速加快和光速减慢的实验成果作为研究的背景。最后指出了光速控制研究在未来的应用前景和仍然存在的一些问题。
第二章内我们主要介绍了传输矩阵法原理,包括它的数学形式和推导。并对传输矩阵法处理非均匀光栅的方法和思想进行了详细描述。最后我们用该方法具体数值模拟了存在单一缺陷的光栅的光学性质,证明该理论工具的实用性。
第三章里我们主要引入复合周期结构的概念,同时我们具体给出了两种复合周期结构形式:余弦函数复合周期结构和矩形函数复合周期结构。随后我们通过数值模拟证明了两周期间的比例系数对于两周期结构的透过率以及光群速控制有很大的作用。我们引入非对称机制并且讨论了它对复合周期结构的影响。最后给出一些相关的实验结果。
在第四章中,讨论量子系统中光速控制的研究结果。对红宝石晶体中实现超光速传输的现象作了实验观察。指出从传统的相干粒子布居数振荡理论出发无法解释超快光现象;最后我们通过引入类非简并二波耦合机制给出定性的解释,指出这是几种非线性效应共同作用的结果。
论文的最后,我们对全文的内容和工作做了总结,并对下一步将要开展的工作做了简要说明。