非厄米光学系统散射特性的相干调控

论文摘要

宇称-时间（Parity-Time:PT）对称理论最初是在量子力学中提出的,该理论一经发表就引起了人们的广泛关注,随后被引入到光学领域中。通过精确调节介质的增益和损耗,人们可以在多种光学系统中实现PT对称性,并且发现了许多“违反”常识的现象,例如:吸收诱导的透明、相干完美吸收-激光以及超布洛赫振荡等。受此启发,人们意识到控制介质的增益和耗散可以实现传统光学中难以实现的现象和功能,对非厄米光学系统的研究热情更加高昂,涌现出一些十分有趣的研究方向,例如:超对称、空间Kramers–Kronig关系和PT反对称等。毫无疑问,非厄米光学已成为现代光学最热门的课题之一。而在本文中,我们主要考虑三种非厄米散射结构——异质结构腔、光栅和原子晶格——的散射特性、调控手段以及潜在应用等。在第三章中,我们提出了PT对称的异质结构腔模型,并研究了其特殊的性质及潜在的应用。PT对称的简单异质结构具有特殊的散射性质,可以用来制造光学器件以实现特殊的功能,然而它具有无法调控的缺点。为此,我们在两层介质之间添加一个真空层而使之成为PT对称的异质结构腔,这样通过调整真空层的长度就可以实现对系统整体性质的调控。有趣的是,真空层的出现极大的改变了简单异质结构原有特性。当入射频率发生变化时,异质结构腔会出现多重PT对称相变现象,并且相应的散射性质也发生改变。利用高阶PT对称相,人们可以实现滤波功能。随后,我们探讨了产生多重PT对称相变的原因,通过数值计算,我们发现高阶的PT对称相与真空层的右侧单向无反射有关。最后,我们讨论了该结构的潜在应用。对于固定频率的入射光,人们可以通过调节真空层的宽度来实现单向无反射和单向隐形。此外,普通的简单异质结构需要满足特定的参数才可以产生单一频率的相干完美吸收和激光现象,而在简单异质结构腔中,通过调节真空层的长度,我们总可以是系统处在能谱奇点,并且可以实现多个频率的相干完美吸收-激光。在第四章中,我们讨论了非厄米周期结构引起的非对称反射和衍射之间的内在关联。PT对称光栅的不对称反射和衍射现象已经被人们分别讨论,然而没有人讨论过二者之间的关联,而我们的工作填补了这个空白。我们首先研究了PT对称正弦光栅的情况。采用耦合模理论,在恰当的近似下,我们得到了反射和衍射过程对应的耦合方程组,并且发现这两组不平衡的耦合系数呈正比,这意味着反射和衍射的不对称度应具有一致性。为了定量的描述这种关系,我们引进了两个物理量:反射对比度和衍射之比。通过数值计算,我们发现反射和衍射的不对称性总具有相同的变化规律,并且这种关系超越了PT对称性。所以,接下来,我们通过一个切实可行的非厄米电磁诱导光栅模型验证了上述的关系,并将其拓展到高阶的反射和衍射。在第五章中,我们利用一维光晶格中Tripod型原子系综,实现了具有非对称反射的原子晶格。为了破坏探测场极化率实部和虚部的同步性,我们在无粒子数布局的基态能级上引入了一个随位置变化的动态频移,并且证明了通过添加驻波形式的辅助场就可以实现该调制。由于Tripod模型中存在两个可以被调制的能级,因此我们考虑了单重调制和双重调制两种方案。结果表明,在两种调制下,系统的性质具有明显的不同。特别的,在单重调制下,晶格具有一个双向无反射点和两个单项无反射点,而在双重调制下,只具有三个单向无反射点。此外,周期结构的光学响应也会发生明显的变化,例如透射相位、快慢光效应等。这两种方案都可以实现非厄米简并现象,所以我们的模型可以用来研究非厄米简并的拓扑性质。由于该模型具有比较高的灵活性和比较好的拓展性,可以为后续的研究提供帮助。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 PT对称光学系统
•     1.1.1 PT对称量子理论
•     1.1.2 PT对称光学
•   1.2 其他非厄米光学系统
•   1.3 本文主要内容
• 第2章 与论文相关的理论基础及研究背景
•   2.1 PT对称散射系统的基本性质
•     2.1.1 传输矩阵的对称性
•     2.1.2 散射矩阵与PT对称相变
•     2.1.3 广义能量守恒定律
•     2.1.4 能谱奇点
•     2.1.5 应用：简单异质结构
•   2.2 非对称反射和非对称衍射
•     2.2.1 非对称反射
•     2.2.2 非对称衍射
•   2.3 原子光栅
•     2.3.1 原子光栅
•     2.3.2 非对称的原子光栅
•   2.4 传输矩阵法计算反射和透射
• 第3章 异质结构腔的多重PT对称性及可调谐的散射性质
•   3.1 引言
•   3.2 理论模型及方程
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 多重PT对称性
•     3.3.2 潜在的应用
•   3.4 总结
• 第4章 非厄米光栅中非对称反射和衍射的关联
•   4.1 引言
•   4.2 PT对称正弦光栅
•   4.3 非厄米原子光栅
•   4.4 总结
• 第5章 利用Tripod型原子实现非对称反射
•   5.1 引言
•   5.2 理论模型及方程
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 单重调制
•     5.3.2 双重调制
•   5.4 总结
• 总结与展望
• 参考文献
• 作者简介及攻读博士学位期间所取得的学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高峰

导师: 吴金辉

关键词: 宇称时间对称,非厄米光学,原子光栅,非对称反射,非对称衍射

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 吉林大学

分类号: O436.2

总页数: 109

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