光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用一直是國際科學界很受青睞的一個研究熱點,可為發(fā)展全光網(wǎng)絡、量子信息等新興技術提供重要的理論基礎。然而,光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用會涉及到許多復雜的物理過程,且往往比表面看起來要復雜得多,“狡猾”的多。因此,在研究納米、亞納米、乃至原子尺度上的光和物質(zhì)相互作用時,需要人們審慎地看待這些問題。一般來說,光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用可以有光學相互作用和量子相互作用。其中,量子相互作用涉及到微觀層面的能級劈裂,反映了光與微觀粒子間的相互作用在內(nèi)能態(tài)上的變化,而光學相互作用涉及到宏觀層面上的光學模式單元間的相干干涉和耦合,反映了光與宏觀物質(zhì)間的相互作用在外在表征上的物理變化。基于光子晶體學,表面等離激元光學,腔量子電動力學,量子光學以及腔光機械系統(tǒng)領域和平臺,本論文對這些復雜體系里所涉及的光學相互作用和量子相互作用做了詳細的分析,探求其中蘊含的新物理和新現(xiàn)象,并取得了一些研究成果。在多模微腔中,我們建立了基于時間調(diào)制的耦合模理論,實現(xiàn)了兩個模式之間的光子躍遷。我們構(gòu)建了光子晶體多模微腔,實現(xiàn)了基于光子躍遷的低Q值微腔模式和高Q值微腔模式之間的完全能量轉(zhuǎn)換,繼而設計了新型的動態(tài)光學存儲... 

【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

光子晶體微腔和波導直接耦合的透射譜[6]

華南理工大學博士學位論文8圖1-5雙環(huán)腔耦合實現(xiàn)動態(tài)光信息存儲結(jié)構(gòu)以及相關的光譜圖[26]近年來，光子晶體微腔由于可以具有很高的Q因子，常被用于光存儲、非線性光學等多個領域。因此，研發(fā)設計出超高Q值的光子晶體微腔一直是國際的研究熱門。然而，如果Q因子能夠被動態(tài)地控制，那么有望在基礎物理和工程領域中發(fā)揮重要的作用，譬如，慢光和量子信息處理。日本的S.Noda研究小組通過構(gòu)建一個波導耦合微腔的系統(tǒng)，在實驗上首次實現(xiàn)Q因子的動態(tài)控制,且這個Q因子實現(xiàn)在皮秒內(nèi)從3000到12000的變化[27]。在二維體系下，對于一個波導耦合一個光子晶體微腔來說，這個Q值由兩個因素所決定：（1）微腔和自由空間的垂直光學耦合；（2）微腔和波導的平面內(nèi)的光學耦合。其中，（1）和（2）的Q因子可以分別表示成和。因此，系統(tǒng)的總Q因子可以表示成1/=1/+1/。的值由腔的結(jié)構(gòu)所決定，而容易受到腔的環(huán)境的影響。如果在波導的一端放置一塊反射鏡，那么的值會受到光波輻射通道不對稱而發(fā)生相互作用的影響。當這個相互作用干涉增強，那么會減少；當相互作用為干涉破壞，那么會明顯的增加。本質(zhì)上，兩束相干光的相干干涉屬于光學相互作用的范疇。根據(jù)耦

華南理工大學博士學位論文10圖1-6光子晶體波導-微腔耦合系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)Q[27]近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，在一個長的光子壽命內(nèi)，微腔的諧振頻率可以發(fā)生絕熱位移現(xiàn)象[28]，同時束縛在腔內(nèi)的光頻率也會發(fā)生變化�？梢岳寐晫W中經(jīng)典的吉他作為例子，來理解這種無損耗的頻率轉(zhuǎn)換的物理機制。當用手指撥動吉他弦時，相當于有一束入射光以固定的頻率在光學諧振器中振蕩。如果用手指按住弦的某一部分，那么吉他弦的振動頻率將會發(fā)生改變，形成不同的音調(diào)，從而實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。其中，手指按住弦的過程，就可以看成對光學諧振腔的動態(tài)調(diào)控過程。雖然已有不少研究小組[29,30]從實驗上看到這些現(xiàn)象，但是絕熱條件并沒有完全滿足理論的要求。在2009年，Notomi的研究小組通過構(gòu)建一個光子晶體微腔耦合波導，實現(xiàn)了真正意義上的絕熱頻率位移[1]。具體的實驗裝置如圖1-7(a)所示，泵浦脈沖投射到異質(zhì)結(jié)微腔中后，載流子等離子色散效應可以改變硅的折射率。從圖1-7(c)可以看到，當沒有泵浦脈沖時，輻射光譜的輸出波長只顯示了入射激光的波長。然而，當一束泵浦脈沖注入到微腔之后，輻射光譜出現(xiàn)了


本文編號：3141216