量子相干调控下量子限制结构的非线性光学现象的理论研究

Under quantum coherent manipulation，semiconductor quantum confined structure, as controllable excellent quantum coherent media, may present novel quantum nonlinear optical phenomena. We do our best to do research in the field in this project. In a variety of coupling mechanisms, we establish the theory of transmission of the signal field in the semiconductor quantum confined structure under the condition of quantum coherent manipulation: Based on the technology of electromagnetically induced transparency, we investigate the influence of dipole dipole interaction on the optical bistability and slow light in quantum well structure; Detailed discuss spontaneous emission spectrum of state of biexciton in quantum dots that is in an open environment under the control of the quantum conherent coupling, and the influence of the non Markovian effect on absorption and dispersion; Through realizing periodic modulation of absorption and the refractive index of quantum dots dielectric in the strong coupling conditions, we obtain electromagnetic induced grating with high diffraction efficiency; With the help of quantum coherent manipulation, we realize the effective coupling between the freedom of quantum dots, the optical freedom and the freedom of mechanical oscillator and obtain quantum nonlinear optical phenomena. The research of tunable nonlinear optical phenomena in our project has an important reference value in the fields of high precision spectroscopy and all-optical information processing.

半导体量子限制结构作为可控的优良的量子相干介质，在量子相干操控下呈现出新奇的量子非线性光学现象，本项目致力于该领域的研究。在多种耦合机制下，利用量子相干操控建立信号场在半导体量子限制结构中的传输理论：结合电磁诱导透明技术，考察偶极偶极相互作用对量子阱结构中的光学双稳态和慢光传输的影响；详细讨论相干调控下开放环境中量子点双激子态的自发辐射谱和非马尔可夫效应对探测场吸收和色散的影响；在强耦合条件下实现对量子点介质吸收与折射率的周期性调制，获得高衍射率的电磁诱导光栅；量子相干操控下，实现量子点自由度、光学自由度以及机械振子自由度间的有效耦合，获得量子非线性光学现象。本项目开展的可调控的非线性光学现象的研究，在高精密光谱学、全光信息处理等应用领域有重要的参考价值。

全新的量子调控技术丰富了光与物质相互作用也为量子器件的实现提供了有效手段。我们研究量子受限结构与连续光场作用或量子化腔场作用所呈现出的量子非线性现象，此外扩展到杂化的腔光力学系统中量子非线性现象的研究。主要取得如下成果：量子阱与量子点微纳结构中基于量子相干操控的光学衍射谱的研究，这种被称为电磁诱导光栅的衍射现象，能够实现可调的衍射图样，能够实现非对称衍射光栅的同时还能获得更高阶的衍射图样；此外我们还研究了受限量子结构与微腔耦合的非线性光学现象，主要研究Kerr非线性效应对探测光吸收色散的影响；微腔耦合下受限量子结构、量子比特的量子信息处理研究，实现了量子纠缠态的制备和量子逻辑门的构建。基于杂化腔光力学系统量子非线性现象的研究，我们研究了杂化腔光力学系统的机械振子冷却与机械模式压缩，涉及到的系统有原子与腔光力学耦合系统，含有光学参量放大器（OPA）腔光力学系统，以及含有微纳石墨烯薄膜的腔光力学系统：理论上分析了可调的光学参量放大条件下耗散光力系统力学振子模式的压缩现象，突破3dB压缩限制的机械振子模式的压缩；在耗散腔光力学系统中，研究OPA与腔场的耦合如何显著改善机械振子的冷却，可以让机械振子从室温293K冷却到10mK，这个结果比没有OPA存在时低112倍；借助原子系综的引入，利用该系统可以实现机械振子的基态冷却。最后研究了受限的微纳力学振子与含Kerr介质微腔耦合系统的Fano共振和信号放大现象，微腔力学系统的光子阻塞、声子阻塞现象以及光子与声子之间的关联效应，通过对关联函数的数值模拟，提出了实现光子阻塞、声子阻塞的理论方案。我们对半导体微纳结构的量子调控在量子衍射光学元器件的设计、光栅成像系统等方面具有潜在的应用前景，杂化腔光力学系统的非线性光学特性研究为量子精密测量、单光子或声子源的产生提供理论依据。