在量子热力学的研究中,量子相干扮演着重要的角色。基于本课题组的研究结果,分别从热力学操作与增强热力学操作间的相干鸿沟猜想及关联催化相干放大猜想两个角度,讨论了能级之间的量子相干在热力学中的奇特行为。首先,通过研究单模热力学操作,进一步发掘了相干转化在划分量子热力学操作中的作用。其次,通过研究关联催化协变操作,发现关联催化在含有相干的量子热力学中存在尚未发掘的作用。研究结果对进一步完善量子热力学第二定律具有重要意义。

研究了b轴10 at.% Er∶YAP晶体的偏振吸收和输出特性以及多波长激光运转特性。 首次测量了Er∶YAP晶体的偏振吸收光谱, 结果显示晶体对偏振方向平行于a轴和c轴的偏振光在4I11/2能级对应的吸收峰附近的最大吸收系数分别为4.606 3 cm-1 (975.2 nm处)和2.936 6 cm-1(967.6 nm处), 因此选择合适波长的线偏振光作为泵浦光有利于提高晶体对泵浦光的吸收效率, 从而改善激光性能; 在氙灯泵浦的激光实验中, 自由运转条件下实现了2 710, 2 728, 2 795和2 918 nm等4条谱线的激光输出, 并分别研究了各谱线的偏振特性和起振的阈值特性。 通过在谐振腔内加JGS石英片、 云母片、 K9镜片等选择性吸收片分别实现了2 918 nm单波长, 2 710, 2 821, 2 837和2 862 nm等四波长和2 710 nm单波长的激光输出。 测量了自由运转和不同选择性吸收片条件下的激光光谱, 并与不同选择性吸收片的透过谱及之前报道的荧光光谱进行对照分析, 证明通过调节谐振腔能够对Er∶YAP晶体中的起振谱线进行选择。 偏振激光实验结果表明除谱线2 918 nm是偏振方向平行于a轴的线偏振光, 谱线2 728 nm有时是偏振方向平行于c轴的线偏振光, 有时又是偏振椭圆长轴平行于YAP晶体a轴的部分偏振光外, 谱线2 710和2 795, 2 821, 2 837和2 862 nm均为偏振方向平行于c轴的线偏振光; 在LD端面泵浦条件下, 得到2 710, 2 728, 2 750和2 795 nm四条谱线的激光输出, 其中谱线2 750 nm首次在Er∶YAP晶体中实现激光输出, 这四条谱线均为偏振方向平行于晶体c轴的线偏振光; 此外, 首次测量了该晶体在8 K低温下的吸收光谱, 利用Gauss函数对光谱进行分峰拟合, 根据拟合结果对激光上下能级各斯塔克子能级进行了能级指认, 并结合Er∶YAP晶体激光光谱、 荧光光谱对可能的谱线跃迁进行了辨认。 Er∶YAP晶体偏振特性和多波长讥光运转特性的研究以及对后续Er∶YAP晶体调Q等技术的实现和电光调Q晶体的选择具有一定的指导意义。

利用基于标准PBE0泛函的杂化密度泛函理论计算了Sr2MgSi2O7中本征缺陷、缺陷复合对及镧系离子的缺陷形成能、热力学转变能级以及光跃迁能级, 以研究它们在Sr2MgSi2O7∶Eu2+, Dy3+的热致发光和长余辉发光过程中所起的作用。PBE0计算的形成能结果表明, 缺陷VO、SrMg、MgSr和SrMg-MgSr较容易在还原气氛下制备的Sr2MgSi2O7材料中生成。基于PBE0计算的基质带隙(7.18 eV)和缺陷形成能, 获得了上述较易形成的缺陷与复合对以及镧系离子的热力学转变能级和光跃迁能级。根据理论计算结果与实验所确定的陷阱深度的直接对比, 电中性及带一个负电荷的氧空位与Dy3+离子可以作为该材料中的电子陷阱, 从而有助于其热致发光和长余辉发光。本研究的目的是利用第一性原理研究方法深入理解Sr2MgSi2O7∶Eu2+, Dy3+的热致发光和长余辉发光机理, 从而作为实验研究手段的一种有效补充。

采用从头算的多参考组态相互作用(MRCI)方法并结合基组aug-cc-pCVQZ计算了CO分子基态(X1Σ+)的势能曲线和偶极矩曲线, 得到的势能曲线、 偶极矩曲线分别与RKR势、 文献的偶极矩曲线吻合较好。 利用所得的势能, 求解双原子分子核运动的Schrdinger方程找到了CO分子X1Σ+态转动量子数J=0时的70个振动态, 对于每一振动态, 分别计算了其振动能级G(v)、 转动惯性常数Bv和离心畸变常数Dv, 并把计算结果与已知的42个实验值做了详细比较, 结果表明, 计算的振动能级G(v)、 转动惯性常数Bv、 离心畸变常数Dv与实验值符合较好。 利用G(v), Bv导出的光谱常数［谐振频率ωe(2 160.1 cm-1)、 非谐振频率ωeχe(13.1 cm-1)、 转动常数Be(1.918 cm-1)、 振转耦合常数αe(0.017 3 cm-1)］也与实验值的光谱常数［ωe(2 169.8 cm-1), ωeχe(13.3 cm-1), Be(1.931 cm-1), αe(0.017 5 cm-1)］较为符合, 这在一定程度上证明了方法MRCI/Aug-cc-pCVQZ对CO分子基态性质的计算是合适而可靠的。 利用乘积近似方法计算了CO分子在常温、 中温、 高温时的配分函数, 在此基础上, 计算了CO分子在T=296 K时的1-0跃迁带的谱线强度, 通过比较发现, 计算所得的线强度与HITRAN数据库符合较好。 进一步计算的CO分子X1Σ+态1-0, 2-0, 3-0, 4-0, 2-1, 3-1和4-1跃迁带的带强度也与实验值较为吻合, 同时首次计算了CO分子X1Σ+态3-2跃迁带、 4-2跃迁带的线强度及带强度。

通过显微拉曼(Raman)光谱仪,对一系列δ掺杂GaAs/AlAs量子阱中浅受主铍(Be)原子能级间跃迁进行了研究.实验样品是利用分子束外延技术生长在GaAs衬底(100)面上的GaAs/AlAs多量子阱,阱宽范围从30到200,并在阱中央进行了受主Be原子的δ掺杂.在4.2K液氦温度下,对样品进行了Raman光谱测量,并与光致发光(PL)光谱进行了对比,清楚地观测到了受主原子从基态能级1S3/2(Γ6)到第一激发态能级2S3/2(Γ6)之间的跃迁.根据量子力学中的变分原理和打靶法算法,计算了量子阱中类氢受主Be原子1s到2s能级间跃迁能量,并和实验结果进行了比较.计算结果表明,受主1s到2s能级间跃迁的能量随量子阱宽度减小而单调增加,并且与实验结果符合较好.

在弱场图像下,利用Racah不可约张量算符方法得到了三角对称3d4/3d6电子组态的完整的哈密顿矩阵。研究了Fe2P2S6晶体中Fe2+的基态能级和晶体结构,考虑了自旋轨道耦合与自旋自旋耦合对基态能级的影响，对Fe2P2S6晶体基态能级和电子顺磁共振的零场分裂进行了计算。计算结果与实验值符合得较好。基于此计算结果,对基态能级和零场分裂中的自旋轨道耦合、自旋自旋耦合以及3L低自旋态进行了更深入的研究,并对Fe2P2S6晶体的Jahn-Teller效应进行了研究。

为了获得高信噪比的电磁感应透明(EIT)谱线，对铯原子6S1/2-6P1/2-8S1/2阶梯型能级系统的EIT谱进行了研究。探测光的频率锁定于基态到中间态的超精细跃迁线上，控制光在中间态到激发态超精细跃迁线之间扫描，得到的EIT谱具有平坦的背景，提高了光谱的信噪比。阶梯型能级系统中光谱信号强度不仅与控制光束和探测光束的传播方向有关，而且与控制光功率有关。最终，获得了高信噪比的EIT谱线。

测试了Nd3+:GGG单晶在可见和近红外波段的吸收光谱，并分析指认了它的实验能级，通过从头计算的DV-Xα方法计算得到了它的晶体场参数和旋轨耦合参数。 用Nd3+:GGG在77 K和300 K的156个、88个实验能级，拟合了它的自由离子参数和晶体场参数，均方根误差(即拟合精度)σ分别为15.79 cm-1和 11.48 cm-1。结果表明晶体场参数的拟合结果和从头计算值符合的很好。最后比较了拟合得到的Nd3+:GGG和已报道Nd3+:YAG 的自由离子参数和晶体场参数。

综合运用稀土光谱理论、 量子力学、 晶体场理论对高对称稀土离子Cs2NaYF6∶Ho3+的电子光谱与能级结构展开了深入的研究。 4 600～24 000 cm-1范围内不同温度下的电子吸收光谱清楚的记录了从基态到不同激发态5FJ(J=7,6,5,4), 5FS(S=5,4,3), 5GP(P=6,5)及3K8的跃迁。 这些跃迁表现为零声子线(ZPL)及丰富的振动结构。 由光谱解析结果得到50个Ho3＋的能级数据, 还运用标准f-shell程序进行能级拟合及晶场分析, 得到Cs2NaYF6∶Ho3+能级的计算值及相应的哈密顿量参数。 同时, 对同类冰晶石晶格中不同配体(Cs2NaYF6∶Ho3+, Cs2NaYCl6∶Ho3+)的能级及拟合参数进行了对比。

根据掺杂Er3+(0.5%)的YVO4样品的吸收光谱, 用Jubb—Ofelt理论拟合出唯象强度参量Ωλ, 并由此计算了激发能级的振子强度、 自发辐射跃迁速率、 荧光分支比和积分发射截面等光谱参量。 并根据这些光学参量, 分析了Er3+∶YVO4晶体的应用价值。 其中, 特别是4I13/2→4I15/2, 2H11/2→4I15/2, 4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2等几个强发光能级具有较大的振子强度(大于10－6)和积分发射截面(大于10－18cm), 分别分析了它们的应用前景, 因此非常值得关注。 并且, 本文结果和Capobianco等所报道的Er3+(2.5 mol%)∶YVO4晶体强度参量结果很相近。 而且, 通过比较掺Er3+钒酸钇晶体和掺Er3+其他晶体的光学性能, 可以看出钒酸钇晶体作为激光晶体的优点。 最后, 还根据Er3+在晶体中的对称性, 利用群论讨论了Er3+在YVO4晶场中各能级的劈裂情况