基于耦合量子点系统的电磁诱导光栅研究

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近年来,半导体量子点因其丰富的物理特性以及巨大发展潜力吸引了广大研究学者的关注。与普通原子相比较而言,半导体量子点有着良好的局部尺寸、能级间距、高非线性光学灵敏度和极大设计灵活性等显著特点。也正因为其突出的固有优势,半导体量子点在量子光学和量子信息科学中成为了研究焦点,在光电器件设计和制备等方面得到了广泛的应用。另一方面,光栅因其特殊的结构使得它在工业生产上有许多重要的应用,如分光器、光存储和光耦合等。正因为光栅这些重要的用途,因此在量子光学领域中电磁诱导光栅的制备和应用得到研究人员的深入研究。在电磁诱导透明的基础上,当用相干驻波场来代替行波场作用介质时,介质的极化响应呈现了空间周期性变化的特征,出现了周期性的振幅和相位调制,这将导致通过介质后的弱探测场产生衍射的效果。本文主要研究的是耦合量子点系统的光传输特性和电磁诱导光栅现象。我们首先联合相干驻波场和量子点间隧穿研究了量子点分子系统的光学克尔非线性及其对弱探测光的衍射影响。其次在量子点分子系统中研究了光学宇称-时间对称(PT对称)和宇称-时间反对称(PT反对称),并利用光学PT对称和PT反对称实现了光的非对称传输,具体研究内容如下:(1)我们提出了在由两个量子点耦合形成的量子点分子中制备相位光栅的方案。当量子点间存在点间隧穿时,由于隧穿诱导的量子相干性,三阶光学非线性显著增强,其中三阶色散效果显著,且伴随着近乎消失的线性和非线性吸收。在相干驻波场的驱动下,介质呈现出高透射率并伴随较强的相位调制,使得弱探测光透过介质时发生衍射。结果表明,通过改变弱驱动强度、驱动场失谐量、隧穿耦合强度和相互作用长度等参数可以有效地调节衍射强度。我们的方案主要针对弱驻波驱动和弱隧穿强度,该方案提供了一种简单和实际的方法来获得相位光栅,并可能在固态系统的量子光学和量子信息处理器件中有潜在的应用。(2)为进一步提升衍射效率和调控衍射方向,我们研究了耦合量子点系统中光学PT反对称及其对探测光衍射的影响。结合驻波驱动场和失谐量的空间调制,耦合量子点系统呈现出光学PT反对称,即介质的吸收呈现了空间对称性,而色散呈现了反对称性。在光学PT反对称条件下,经介质衍射后的衍射图像呈现了非对称特性,即光场强度集中在正方向或负方向,极大地提高了衍射效率。不仅如此,通过调制物理参数可有效地改变衍射方向使探测光束衍射到不同的衍射极次。我们的方案为量子点系统中光与物质相互作用及其光传输特性以及固态系统中的量子信息处理提供了理论依据,这对发展半导体固体材料和开发新型光子器件有着重要的应用。(3)在多量子点分子系统中,我们提出了一种基于光学PT对称的高效可控的非对称衍射光栅方案。在该方案中,联合驻波驱动场和粒子数空间调制可以改变介质的吸收和色散的空间依赖性。在适当物理参数的选择条件下,系统表现出显著的PT对称性,即色散对称,吸收反对称,这是实现非对称衍射光栅的关键。我们观察到,驻波场调制振幅的符号改变或探测场和驱动场失谐量的符号改变,可以调整衍射的正负方向。随着相互作用长度的增加,探测场的能量向高阶衍射方向转移。这可实现可调方向的高效衍射光栅。该方案为有效控制衍射方向,大大提高衍射效率提供了一种可行的方案,并为在量子信息处理和实现大角度光学分束器等方面的应用提供了可能。
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