基于微纳光子超结构的若干量子力学—光子学类比研究

In opposite to electron, photon has no external-field-responsive characteristics that originate form either charge or spin. This dramatically hinders the development of optical circuits. However, photonic nanostructures, when properly designed and judiciously arranged, could behave as nanoscale lumped circuit elements at optical frequencies. In this proposal, we firstly put forward several models of spatially graded and multi-scale correlated photonic sturctures (photonic super-strutures), utilizing certain quantum-optical analogies. By analyzing the normal and quasi-normal supermodes in such artificial structures, we shall reveal the preliminary mechanisms of their manipulation on electromagnetic waves. Meanwhile, by full-wave electromagnetic computational tools using fast multiple multipole/boundary elemnet method (FMM-BEM), finite element method (FEM), and finite-difference time-domain (FDTD) method, we would extensively and systematically study the optical wavepacket dynamics such as oscillations, tunneling, and coherent inteference in them, particularly to understand the "field-responsive" effects and the unusual dispersion management induced by scale variation and/or spatially aperiodic arrangement. In addition, we will explore the similarites and differences between several solid-state quantum phenomena and the optical analogies, including Bloch oscillation, Zener tunneling, and Zeno dynamics, etc. Finally, we summarize the general principles of using the spatial dimension in photonic systems to mimic the time dimension of quantum systems. This project is not only theoretically fundamental, but can also provide a guidance to design photonic elements and devices that possess nontrivial functionalities.

与电子不同，光子不具有依赖于电荷及自旋的外场响应特性，这限制了光路元件的开发。对微纳光子结构进行合理的设计和审慎的空间排列，可实现在可见光波段的各种光路元件。本项目利用量子力学-光子学类比原理，提出具有空间特征渐变及跨尺度关联特点的微纳光子结构的一些基本模型。通过分析其中的正则、准正则耦合模来揭示其对光场的调控特点；同时，发展快速多级展开边界元法，结合有限元法和时域有限差分法对此类人工光子超结构进行全波电磁计算，深入研究其内光波包振荡、隧穿、及相干干涉等动力学效应，理解由尺度变化及空间非周期关联排列所诱导的"外场响应"和色散管理机制。在此基础上，重点阐明若干固体量子物理与经典光子学类比现象的异同，包括Bloch振荡、Zener隧穿、Zeno动力学等；归纳光子体系里用空间演化替代量子体系里时间演化的一般规律。本项目不仅具有一定理论价值，还为开发具有非一般功能的光子器件提供理论指导和实验依据。

本研究采用多极子展开分析、耦合模理论，计算机模拟等手段对人工光子超结构（纳米天线、波导、超表面及其耦合系统）中的若干“量子力学—光子学”类比行为进行了系统研究。成功发展出了对各类光学共振模及它们之间的耦合相关作用进行快速准确计算的方法，包括利用多极子展开的分解分析，并与多种全波数值计算方法的对比。将这些方法在规则及不规则形状共振光子体系中进行对比，得到非常好的收敛结果，为研究人工超结构中的光学类量子现象提供了系统工具。基于这些方法，研究了非周期性和周期性微结构在零维、一维、以及三维激发源下的光学响应如光学截面、电子能丢失谱、辐射衰减特征、透/反射性质、局域场增强、电荷分布等；无激发源时的本征模分析如模场分布、Q值评估、能带结构等。详细分析了能够产生Fano共振和EIT的表面等离激元共振（surface plasmon resonances，SPRs）光子结构的近场、远场特性，Bloc振荡、Zener隧穿、Zeno动力学以及有关的光致力学效应；带有侧壁耦合共振腔的波导结构中的Fano共振和EIT对波导传输特性的影响等。 首次发现：(1) 二聚体偶极纳米天线的几何参数和狭缝处负载材料的介电常数可以用来调节模式间相干作用，表现为天线散射谱上出现EIT或者Fano特征的散射抑制甚至透明现象; (2) 侧向耦合波导共振系统中，当极化激元共振态接近布拉格共振态的时候，布拉格空隙中出现了较平坦的传输带，而在相应的透射谱中表现为低谷中升起一个急剧增加的EIT透射带; (3) 基于自旋—轨道耦合机制，一种纳米线-纳米球耦合的表面等离激元纳米天线中横向远场辐射方向可以通过入射的圆偏振光的手性控制。