利用二维金纳米结构实现自发辐射相干效应的研究

Spontaneously generated coherence has been shown to induce various phenomena such as slow light, enhanced Kerr nonlinearity, and quantum entanglement. Therefore it may find applications in many fields, examples are novel optical devices, quantum information and processing. However, the realization of this quantum coherence needs very rigorous requirements which hinder its application. Fano interference in nano structures can be observed in the solids under the room temperature. So we can see a bright future of simulating spontaneously generated coherence with Fano interference. The present project will prepare two-dimensional lattices of golden nano particles on the top of transparent waveguide layers. Fano interference will arise due to the interaction of the surface plasmonic resonance and the waveguide modes, so that the effects related to spontaneously generated coherence will be realized. We will carry out the following investigations: 1. analyze the structures and steady-state transmission spectra, and discuss the mechanism of the simulation of spontaneously generated coherence, 2. observe the linear and nonlinear optical properties of the samples when they are placed in different environments, and develop the application of Fano interference in nonlinear optical devices and optical sensing, 3. investigate the emission of luminants such as quantum dots, and improve the performance of optical emitting devices. Through the above researches, the present project will develop the application of Fano interference based on nano structures in the fields such as optical devices, and push spontaneously generated coherence from theoretics to applied technologies.

自发辐射相干可以引起光速减慢、增强Kerr非线性、和量子纠缠等多种效应，在新型光学器件、量子信息和处理等领域有重要的应用价值。然而它对介质有着极为苛刻的要求，难以实现。基于纳米结构的Fano干涉可以在常温下的固体介质中模拟这种量子相干，具有实际的应用前景。本项目拟在透明波导层上制备规则的金纳米粒子阵列，使表面等离子体共振与透明波导层的导波模式相互作用,产生Fano干涉,进而实现自发辐射相干效应，并开展如下研究：1.分析样品的微观结构和透射光谱，探讨Fano干涉模拟自发辐射相干的机理；2.观察不同环境中样品的线性和非线性光学性质，发展其在非线性光学器件和光学传感等领域的应用；3.研究样品近场区域内量子点等发光物质的光发射性质，探讨用Fano干涉改善光发射器件的性能。通过以上研究，本项目将拓展基于纳米结构的Fano干涉在光学器件等领域的应用价值，推动自发辐射相干从理论研究走向实际应用。

自发辐射相干可以引起光速减慢、增强Kerr非线性、和量子纠缠等多种效应，在新型光学器件、量子信息和处理等领域有重要的应用价值。然而它对介质有着极为苛刻的要求，难以实现。用基于纳米结构中共振的耦合可以产生Fano干涉等现象，从而在常温下的固体介质中模拟这种量子相干，在新型发光器件、光探测器、光伏器件、光传感等领域都有很好的应用价值。. 本项目研究了将自发辐射相干的概念用于纳米光电器件领域，从理论分析、数值计算、实验探究等三个方面探讨了在固体纳米结构中模拟自发辐射相干效应，改善现有光电器件性能，以及开发新型的全光器件。具体包括如下内容：1.以原子系统为研究对象，开展了用自发辐射相干等量子干涉效应调控介质线性和非线性光学性质的研究；2.同过数值计算，模拟了纳米结构中表面等离子体相关的光学性质；3.制备了周期性排列的二维金属纳米结构，并观测了它们的光学性质；4.研究了激子吸收和表面等离子体激元等光学模式的强耦合现象；5.初步探索了将二维材料与表面等离子体共振相结合，研发新型光电材料。. 本项目主要得到如下几方面结果：1.在原子系统中，驻波相干场可对介质产生周期性的折射率调制，形成光子晶体，反射一定频率的入射光，通过调控位相匹配条件，可以控制介质的反射率和Goos–Hänchen移动，当原子系统处于谐振腔中时，自发辐射相干效应会显著压窄腔的共振宽度；2.周期性排列的金属纳米粒子表现出吸收透明窗口等性质，样品的吸收谱对纳米结构的周期、形状等参数很敏感，表面等离子共振引起了明显的电场增强效果；3.用聚焦离子束刻蚀方法制备了一系列纳米孔阵列，观察到了表面等离子体激元引起的反射光谱色散，样品周围折射率变化对光谱也有明显影响；4.将有机染料分子置于金属纳米孔阵列上或微腔中时，激子的共振与光学模式产生强耦合，显著地改变了有机染料分子的光学性质；5.用两步气相输运法得到了大尺寸的纳米片层结构。. 本项目的研究有助于进一步开发基于量子干涉现象的光学元件，拓展不同类型能量共振之间耦合的研究，促进量子光学和量子电动力学理论在纳米光电器件研发中的应用。