自发辐射是指处于激发态的原子自发地向低能级跃迁的辐射过程。日常生活中常见的各种白炽灯、日光灯、霓虹灯,以及荧光材料的发光,都是自发辐射产生的。自发辐射对许多物理过程和实际应用有重要的影响,如在半导体激光器中,降低自发辐射可以在一定程度上减少阈值电流。在量子光学中基于原子相干和量子干涉的自发辐射的有效控制和改变已经引起了广泛的研究,因为它在无反转激光、相干布居捕获、高精度的波谱学和测磁学,以及量子信息和量子计算中具有潜在的应用价值。已经证实原子的自发辐射不仅依赖于原子系统的特性还依赖于周围环境,所以可以将原子放在不同的环境中,比如自由空间、光学腔、光波导、光子带隙材料,或者其它的改进库,通过改变这些模式参数来改变原子的自发辐射。在本论文中,我们主要讨论了处于自由空间和光子晶体中的原子的自发辐射及光学特性的控制和改变,并且利用可控的自发辐射和光学吸收测量实现了高精度高分辨率的二维原子局域。主要研究内容和成果包括以下几个方面:　　(1)利用三种不同的结构模型详细地研究了射频驱动的多能级原子系统的自发辐射特性。在多能级系统中由于射频诱导量子相干的出现导致了一些有趣的现象,如谱线变窄、谱线增强、谱线抑制和荧光猝灭,并且这些现象有可能在实际的实验条件下实现。通过观察单射频场、双射频场和三射频场驱动的原子系统,我们发现:(i)当只有一个射频驱动场时,有两个荧光猝灭点和四条谱线;(ii)在两个射频场驱动的情况下,就会出现三个荧光猝灭点和五条谱线;(iii)当应用三个射频驱动场时,就会有四个荧光猝灭点和六条谱线;(iv)以此类推,如果该原子系统被N个射频驱动场耦合,就会出现N+1个荧光猝灭点和N+3条谱线。有趣的是,仅仅通过适当地调节所应用射频驱动场的强度和频率就可以很好地控制谱线增强、谱线抑制和选择性的荧光猝灭取消。我们所提出的方案可以在铷原子系统中利用射频驱动场耦合超精细能级来实现,具有潜在的应用价值。　　(2)研究了位于各向异性的光子晶体中的双Λ型四能级和M型五能级原子的自发辐射行为。在这种系统中出现了两种类型的量子干涉:库诱导的干涉和激光诱导的干涉。通过改变光子带隙库的态密度和激光场的强度可以控制原子的自发辐射行为,辐射谱的改变源于量子干涉效应和外部激光场的控制。这些研究为操纵原子自发辐射提供了更多的自由度。　　(3)讨论了一个位于各向异性的双带光子晶体库中由射频控制的五能级原子系统的自发辐射和光学特性。在所提出的模型中,两个原子跃迁分别与光子带隙材料的上能带和下能带耦合,从而出现了一些不同的现象。研究表明自发辐射增强、抑制、变窄,以及对探测场的吸收和色散特性依赖于射频诱导量子干涉和光子带隙材料的态密度。　　(4)将一个人造的缺陷引入到光子晶体中从而打乱了晶体的周期性,在光子带隙区域就产生了一个人为的辐射通道。所以将五能级纳米微粒放置在这种光子晶体中就可以容易地控制微粒的辐射谱和光学特性。当粒子的跃迁频率和缺陷模式的频率匹配时,自发辐射速率可以得到增强。通过调节系统参数,我们在光学谱中可以观察到吸收、透明、正常或反常色散,以及对一个弱的探测场的放大特性。　　(5)通过可控的自发辐射和探测吸收测量,我们在不同的原子系统中提出了实现二维原子局域的方案。由于原子与依赖空间位置的驻波场相互作用,所以当原子穿过驻波场时,我们可以通过探测自发辐射光子的频率或通过测量吸收光子的频率来得到原子位置信息,从而形成了原子局域。我们发现当两个垂直的驻波激光场用来耦合同一个原子跃迁时,通过适当地调节系统参数可以将原子局域到一个特定的位置,从而在真正意义上实现了高精度高分辨率的二维原子局域。　　本论文的研究加深了人们对量子相干介质中自发辐射及相关特性的认识和理解,有助于进一步控制原子的自发辐射和光学特性。本文的研究结果为自发辐射的控制提供了更多的自由度,而且利用可控的自发辐射和探测吸收测量实现了高精度高分辨率的二维原子局域。这些研究在光学通讯和新型光电子器件的制作,以及激光冷却和中性原子囚禁、原子纳米光刻技术、玻色-爱因斯坦凝聚中具有潜在的应用价值。