微纳结构中的量子光吸收和光辐射调控

Controlling of quantum light absorption and radiation in micro and nano structures is one of the key research fields in studying the new type light-matter interaction, which is very significant in the applications of optical interconnection, optoelectronic device, highly sensitive sensing, quantum communication and quantum computing. In this project, we will focus on the research of the efficiency quantum light source, ultrasmall mode volume of light filed and the strong interactions between the ultrasmall mode volume and the deterministic single emitters: 1) exploring the phase modulation mechanism and experimental methods for collimating and the left-/right-handed rotation polarization separation single photon emission by the matesurfaces nanostructures in quantum dots layer; 2) developing the fabrication methods and techniques of the nanostructures to realize the new type ultrasmall mode volumes of light fields, studying the non-dipole higher-order effects, resonance fluorescence of the single molecule, the nonlinear effect of single photon and the Raman scattering of single molecule by the strong-coupling with the ultrasmall mode volume of light filed and the deterministic single emitters; 3) exploring the bright single-photon source with collimating and tunable emission direction, and construct quantum optoelectronic devices for highly sensitive quantum sensing. All these research can not only reveal the new phenomena in quantum physics, but also prompt our country in the study of new type light field control from follower to the leader station.

微纳结构中量子光吸收与光辐射调控是新型光场与物质相互作用研究中的核心领域之一，在光互联，光电子器件、高灵敏传感检测、量子通讯和量子计算等领域有着非常重要的应用。本项目拟围绕按需高效量子光源、超小模体积光场及其与确定性单量子辐射子强相互作用的实现开展如下研究：1）探索基于超构表面微纳结构与量子点相互作用的近平行单光子辐射、以及路径相干的左旋和右旋单光子辐射的相位调控机理和实验方法；2）探索可实现超小模体积新型光场的纳米结构制备方法和技术，研究超小模体积光场与确定性单量子辐射子的强耦合相互作用条件下的非偶极高阶效应、单分子共振荧光、少光子乃至单光子的非线性效应和单分子拉曼效应；3）研发能够近平行出射与方向可调的高亮度单光子源，以及高灵敏量子探测芯片等相关的光量子器件。这些研究不仅能够揭示出新颖的量子物理现象，而且有望推动我国在新型光场调控研究领域实现从并行到引领的跨越式发展做出贡献。

微纳结构中的量子光吸收与光辐射的有效调控是新型光场调控的重要研究内容，是高性能按需可控量子光源等先进微纳光学器件的基础，在光互联，光电子器件、量子通讯和量子计算等领域有着非常重要的应用。因此，本项目以改内容为研究目标，基于光学微腔和超构材料的光调控研究，为研发高度集成的量子光源、纳米激光器等微纳光子学器件提供重要思路。通过四年的项目执行，我们项目共发表SCI论文30篇，其中一区杂志论文20篇；授权国内发明专利3项，美国专利1项。培养博士生10名，硕士生10名。我们取得的代表性成果有：.1.开展了高效量子光源研究，在国际上率先制备出具有“重要里程碑”意义的“三高”（即高效率、高纠缠保真度和高不可区分性）量子纠缠光子对源、自旋态分离可调的按需调控单光子源以及高亮度轨道角动量的单光子源。.2.研究了微纳光子与物质的相互作用，发现了基于场增益模式巨大非线性响应增强、实现了常温下双激子强耦合调控、以及在光纤通信系统O波段（1260 nm-1360 nm）制备了低阈值（1.5 kW/cm2）的二维材料-硅基纳米激光光源。.3.研究了超表面光场调控，提出基于相干像素的传播光场多参量调控方法，实现利用入射光的入射角度、偏振以及波长三个光学参量的调控透射光场强度，并在纳米尺度实现HSB全彩平面图像，以及HSB平面图像与全彩全息图像的集成。