光和微纳结构的量子和光学相互作用

发布时间：2021-04-16 09:58

　　光与微纳结构的相互作用一直是国际科学界很受青睐的一个研究热点,可为发展全光网络、量子信息等新兴技术提供重要的理论基础。然而,光与微纳结构的相互作用会涉及到许多复杂的物理过程,且往往比表面看起来要复杂得多,“狡猾”的多。因此,在研究纳米、亚纳米、乃至原子尺度上的光和物质相互作用时,需要人们审慎地看待这些问题。一般来说,光与微纳结构的相互作用可以有光学相互作用和量子相互作用。其中,量子相互作用涉及到微观层面的能级劈裂,反映了光与微观粒子间的相互作用在内能态上的变化,而光学相互作用涉及到宏观层面上的光学模式单元间的相干干涉和耦合,反映了光与宏观物质间的相互作用在外在表征上的物理变化。基于光子晶体学,表面等离激元光学,腔量子电动力学,量子光学以及腔光机械系统领域和平台,本论文对这些复杂体系里所涉及的光学相互作用和量子相互作用做了详细的分析,探求其中蕴含的新物理和新现象,并取得了一些研究成果。在多模微腔中,我们建立了基于时间调制的耦合模理论,实现了两个模式之间的光子跃迁。我们构建了光子晶体多模微腔,实现了基于光子跃迁的低Q值微腔模式和高Q值微腔模式之间的完全能量转换,继而设计了新型的动态光学存储... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【部分图文】：

光子晶体微腔和波导直接耦合的透射谱[6]

华南理工大学博士学位论文8图1-5双环腔耦合实现动态光信息存储结构以及相关的光谱图[26]近年来，光子晶体微腔由于可以具有很高的Q因子，常被用于光存储、非线性光学等多个领域。因此，研发设计出超高Q值的光子晶体微腔一直是国际的研究热门。然而，如果Q因子能够被动态地控制，那么有望在基础物理和工程领域中发挥重要的作用，譬如，慢光和量子信息处理。日本的S.Noda研究小组通过构建一个波导耦合微腔的系统，在实验上首次实现Q因子的动态控制,且这个Q因子实现在皮秒内从3000到12000的变化[27]。在二维体系下，对于一个波导耦合一个光子晶体微腔来说，这个Q值由两个因素所决定：（1）微腔和自由空间的垂直光学耦合；（2）微腔和波导的平面内的光学耦合。其中，（1）和（2）的Q因子可以分别表示成和。因此，系统的总Q因子可以表示成1/=1/+1/。的值由腔的结构所决定，而容易受到腔的环境的影响。如果在波导的一端放置一块反射镜，那么的值会受到光波辐射通道不对称而发生相互作用的影响。当这个相互作用干涉增强，那么会减少；当相互作用为干涉破坏，那么会明显的增加。本质上，两束相干光的相干干涉属于光学相互作用的范畴。根据耦

华南理工大学博士学位论文10图1-6光子晶体波导-微腔耦合系统实现动态调Q[27]近年来，研究人员发现，在一个长的光子寿命内，微腔的谐振频率可以发生绝热位移现象[28]，同时束缚在腔内的光频率也会发生变化。可以利用声学中经典的吉他作为例子，来理解这种无损耗的频率转换的物理机制。当用手指拨动吉他弦时，相当于有一束入射光以固定的频率在光学谐振器中振荡。如果用手指按住弦的某一部分，那么吉他弦的振动频率将会发生改变，形成不同的音调，从而实现频率的转换。其中，手指按住弦的过程，就可以看成对光学谐振腔的动态调控过程。虽然已有不少研究小组[29,30]从实验上看到这些现象，但是绝热条件并没有完全满足理论的要求。在2009年，Notomi的研究小组通过构建一个光子晶体微腔耦合波导，实现了真正意义上的绝热频率位移[1]。具体的实验装置如图1-7(a)所示，泵浦脉冲投射到异质结微腔中后，载流子等离子色散效应可以改变硅的折射率。从图1-7(c)可以看到，当没有泵浦脉冲时，辐射光谱的输出波长只显示了入射激光的波长。然而，当一束泵浦脉冲注入到微腔之后，辐射光谱出现了


本文编号：3141216