众所周知，原子的自发辐射是由真空场的量子涨落而引起。微纳光纤由于其低维结构和高折射率差，可以明显改变其表面附近真空态的态密度，从而使得靠近其表面的原子的自发辐射速率发生变化。F. L. Kien等通过理论计算表明[88]，由于微纳光纤的传导模和辐射模的耦合作用，置于直径为400 nm的氧化硅微纳光纤表面的铯原子自发辐射速率将明显加快，其中约28%的自发辐射能量可以耦合进入微纳光纤的传导模。

超辐射和亚辐射现象

当微纳光纤表面放置多个原子时，由于各个原子均可以和微纳光纤的传导模发生耦合，这些原子的自发辐射将不再独立，而是通过多个原子的合作自发辐射而相互纠缠，产生超辐射和亚辐射现象。F. L. Kien 等从理论上分析了在直径为400 nm的氧化硅微纳光纤表面放置两个铯原子时所产生的超辐射或亚辐射现象[89]，结果表明，此时的亚辐射自发辐射速率是超辐射速率的54%，是真空中单原子自发辐射速率的70%。由于这种合作自发辐射基于单原子的自发辐射与微纳光纤传导模式之间的耦合，所以可以在相隔较远的两个原子之间产生，这在真空中是无法实现的。当多个原子沿微纳光纤表面以适当的周期整齐排列时，由于原子和微纳光纤传导模的耦合作用，自发辐射速率将大大增加，其耦合进入微纳光纤传导模式的效率将随着原子数的增加而趋近于1[90]。

除了利用周期性排列的多个原子的合作自发辐射改变自发辐射速率及自发辐射与微纳光纤传导模的耦合效率之外，还可以将单个原子置于微纳光纤的一维谐振腔而实现类似的效应。

F. L. Kien等在理论上分析了将原子置于微纳光纤Fabry-Perot谐振腔中的情况[91]，如图16所示，由于微腔的Purcell效应，谐振腔将对自发辐射产生增强或抑制的作用。计算结果表明，对于直径为400 nm的氧化硅微纳光纤，当腔长满足奇阶谐振条件（即原子处于驻波波腹处），腔的精细度约为30时，原子的自发辐射速率将增加38倍，自发辐射耦合入微纳光纤传导模式的效率将增加20倍。与平面谐振腔相比，一维微纳光纤谐振腔产生Purcell效应时自发辐射增强因子相当高，大约94%的自发辐射能量可以耦合进入微纳光纤的传导模。

Purcell效应发生于原子和谐振腔的弱耦合区，此时谐振腔处于过阻尼情况，即谐振腔的谐振峰宽度κ远大于原子的自发辐射速率Γ。当原子和谐振腔强耦合时，原子自发辐射的光子被腔镜反射后，被原子重新吸收，然后被原子再次释放，如此反复，从而形成原子布居数的拉比振荡。

F. L. Kien 等通过理论计算表明 [91]，当微纳光纤Fabry-Perot腔的精细度为30、腔长在1 m到10 cm之间时，可以在氧化硅微纳光纤Fabry-Perot谐振腔中产生拉比振荡以及原子和谐振腔的强耦合。与此相比，使用二维平面谐振腔产生类似效应，所需精细度约105，腔长需在10-100 mm的量级。另外，当微纳光纤谐振腔腔长过短时，谐振峰宽κ大大增加，谐振腔进入过阻尼情况，从而难以产生拉比振荡。

图16 单个原子置于微纳光纤一维谐振腔的示意图。两组光纤布拉格光栅形成Fabry-Perot谐振腔，原子处于谐振腔的中央。

其他量子光学应用

当微纳光纤处于原子气体中，利用传导模的倏逝场与原子的耦合，可实现电磁诱导透明和慢光效应[92,93]。若采用微纳光纤Fabry-Perot谐振腔结构，由于腔的线宽变窄和电磁诱导透明的频率牵引效应，传导光的群速度减慢将更加显著[94]。此外，由于微纳光纤本身质量很轻，光在光纤中传输时的动量改变就可能引起微纳光纤本身运动状态的变化，从而可以用来研究光在介质中的动量形式[95]，以及构建基于光力学效应的微纳光子器件[96]。

（参考文献略）

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本文作者清华李宇航博士，授权发布

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