周期性纳米结构中量子系统与超快激光共振强相互作用机理及应用研究

Periodic nanostructures enable a far-reaching control of light localization, propagation and light-matter interaction. While the generation of few-cycle ultrafast lasr pulse makes it possible to manipulate of electric field within extremely short time scale. Combining both the periodic nanostructures and the ultrashort laser pulse will induce a series of novel linear, nonlinear and quantum optical phenomena. Aiming on this frontier crossing research field, in this project, we propose the research on the ultrafast resonant interaction of quantum emitter system (such as atom, molecule, quantum dot, quantum well, ect.) embedded in periodic nanostructures. By developing corresponding theoretical analysis method and numerical simulation code, we will focus on investigating interactions between ultrafast laser pulse and quantum systems embedded in different periodic nanostructures, fingding new effects and phenomena; studying verious influences of field localization and local field enhancement.in periodic nanostructures on the ultrafast dynamic process of emitters. Combing the new technology of ultrashort laser pulse and integerated structure of cavity, waveguide, ect., to explore the ultrafast dynamics process of bound states, and further propose new potential appications in controllable single photon sources, quantum information, and ultrafast optics fields.

周期性排布的纳米结构可以使人们在前所未及的空间尺度内控制光的局域、传播及光与物质的相互作用，而周期量级超快激光脉冲的出现，则使在极短的时间尺度内控制电场成为可能。周期性纳米结构与超快激光脉冲相结合，必将导致一系列全新的线性、非线性以及量子光学现象的出现。本项目瞄准这一前沿交叉领域，拟开展周期性纳米结构中量子系统（如原子、分子、量子点、量子阱等）超快共振强相互作用机理及应用研究。建立和发展适用于描述周期性纳米结构中量子系统与超快激光脉冲共振强耦合相互作用的理论方法和数值计算程序，研究不同周期性纳米结构中量子系统与超短激光脉冲共振强相互作用时的新效应、新机理；探索由于周期性结构导致的电场局域及局域场增强效应对量子辐射系统的各种影响，并结合超短激光脉冲新技术以及腔、波导或集成器件等结构研究物质束缚态的超快动力学过程，提出其在可控单光子光源、量子信息以及超快光学领域中的应用新方案。

周期性排布的纳米结构可以使人们在前所未及的空间尺度内控制光的局域、传播及光与物质的相互作用，而周期量级超快激光脉冲的出现，则使在极短的时间尺度内控制电场成为可能。将周期性纳米结构与超快激光脉冲相结合，探索周期性纳米结构中量子系统与超快激光共振强相互作用机理及应用，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。.本项目重点研究了周期性纳米结构中量子系统（如原子、分子、量子点等）与超短激光脉冲超快共振强相互作用机理及应用研究。研究成果主要包括：建立和发展适用于描述周期性纳米结构中量子系统与超快激光脉冲共振强耦合相互作用的理论方法和数值计算程序；首次发现周期性纳米结构中带隙孤子的频移现象与Bragg反射波在周期性纳米结构后表面产生的再反射波密切相关，由此提出通过改变介质的周期性排布的晶格常数，控制孤子频率移动的新途径；揭示了对称性介质中对称激光场激发下单极半周期脉冲及零频成分产生的根本物理机制，发现周期量级超短激光脉冲在周期性排布介质中传输过程时载波包络相关的单极半周期脉冲孤子新机制，提出适用于中低强度激光脉冲产生单极半周期孤子的新方案；研究了金属微腔结构中纳米双缝透射现象，发现由于微腔内反射增强作用、表面等离子激元及双缝干涉的共同作用，可以通过调节两个缝之间的相对相位实现透射方向可调的定向辐射，为实现全光超快光开关提供了一条有效途径。等。