光子晶体(Photonic crystals)作为一种由介电函数周期性分布所形成的人工微结 构，具有许多独特的性质，对光子的运动有着重要的影响。光子晶体可以用来制作全 新原理的、高性能的光学器件，具有广阔的应用前景，因此，光子晶体这一概念一经 提出，立即引起了人们的广泛关注，迅速成为一个研究热点。 光子晶体的广泛应用前景都基于利用光子晶体可以如人所愿地控制光子，这就促 使人们研究光子晶体中光子与物质的相互作用，而研究光子晶体中原子的自发辐射性 质是其中一个重要内容，这对光子晶体的实际应用有着重要意义。 本论文围绕光子晶体中光与原子的相互作用，主要做了以下几方面的理论研究： 许多量子光学方面的研究表明相干驱动场能增强原子不同跃迁之间的量子干涉， 从而导致新的光学现象，因此，在第二章中，我们研究了当一个V型三能级原子的两 个上能级之间存在相干驱动场时，此三能级原子在一维光子晶体中的自发辐射性质。 我们着重分析了外加相干驱动场、光子晶体能带结构对原子自发辐射的影响，并将结 果与原子跃迁偶极矩相互平行或无外加驱动场作用下原子跃迁偶极矩相互垂直的情况 进行比较。结果表明：由于量子干涉和光的局域化作用，原子上能级中的占据数将做 周期性振荡或准周期性振荡，这不仅与原子两个上能级的共振频率和光子能带带边的 相对位置有关，而且还与原子的初始状态、驱动场的强度、驱动场的入射位相有关。 通过改变原子的初始状态或原子上能级的共振频率与光子能带带边的相对位置，可以 影响量子干涉，从而控制辐射场中没有或有一个、两个、三个传播脉冲出现，这一性 质可用于制作多通道开关。我们发现驱动场的位相和强度可以控制原子的自发辐射， 原子的自发辐射记录了驱动场强度和入射位相的信息，可利用这一性质制成光学存储 器。 考虑到实际三维光子晶体具有各向异性结构，导致色散关系具有各向异性，态密 度发生了变化，这将对原子的自发辐射性质产生影响，在第三章中，我们研究了三维 各向异性光子晶体中一个V型三能级原子自发辐射的性质。我们主要对辐射场的频 谱特性和传输特征、原子上能级占据数及其随时间的演化性质等进行了讨论，并将结 果与一维各向同性的结果进行比较，从而了解态密度对自发辐射的影响。结果表明： 由于态密度没有奇异性，辐射场中的局域场可以消失，弥散场在一定条件下会得到加 强，并在辐射场中占主导地位。我们研究了辐射场中局域场的局域性、传输场的传输 性及弥散场的性质，得到了辐射场中各部分之间能量交换的物理图象。我们还发现在 不依赖于原子初始状态的情况下可以实现原子上能级占据数的完全衰减，使原子处于 基态。 在光与原子相互作用的多原子系统中，原子间的偶极-偶极相互作用会影响原子 行为的量子特性。在第四章中，我们研究了原子间偶极-偶极相互作用对三维各向异 性光子晶体中两个二能级原子系统自发辐射性质的影响。研究结果表明：由于原子间 的偶极-偶极相互作用(包括静电偶极-偶极相互作用和共振偶极-偶极相互作用)能 引起两个原子跃迁之间的量子干涉，两个二能级原子的自发辐射性质将类似于一个V 型三能级原子的自发辐射性质。在某些情况下辐射场中的局域场可以消失，弥散场可 以在辐射场中占主导地位。原子间的偶极-偶极相互作用能抑制或增强原子的自发辐 射。此外，我们还给出了这个两原子系统的自发辐射谱。由于原子间的偶极-偶极相 互作用能引起量子干涉效应，自发辐射谱并不是两个独立二能级原子各自谱线的简单 叠加，而是复杂的非洛伦兹型。谱线中峰的宽度、高度、位置以及形状由原子上能级 的共振频率与光子能带带边的相对位置、系统的初始状态决定。