量子发射单元与微纳结构的相互作用

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自从1998年Ebbesen小组在实验上观测到了金属亚波长周期性孔阵结构上的异常透射(EOT:extraordinary optical transmission)以来,金属表面等离极化激元(SPP:surface plasmon polariton)受到了国内外研究者的广泛关注。并且发展出了一个以研究SPP和局域表面等离激元(LSP:localized surface plasmon)为核心的新学科——金属等离激元学(Plasmonics)。对SPP和LSP的研究揭示了很多新颖的物理现象和物理机制,并且产生了很多的应用的方向,比如光子的有效收集、光的高效吸收和偏振控制;也可应用于很多重要的光学器件,比如光学天线、纳米激光器和太阳能电池等。金属等离激元(plasmon)对电磁场的大幅度增强还可以应用于其与物质的相互作用,最常见的是与量子发射单元(QE:quantum emitter)的相互作用。它可以实现对QE自发辐射的增强、调控以及对辐射方向的控制,从而实现高效的单光子源、单光子开关和三极管等量子光学器件。当同时与两个QE相互作用时还可以产生两量子比特纠缠。可见,plasmon与QE的相互作用具有很重要的物理内涵和很好的应用前景,本文主要研究了QE与金属微纳结构中不同的plasmon的相互作用得到的特殊性质。我们研究了QE与三明治(MIM:metal-insulator-metal)结构的耦合。首先分析MIM结构的一阶磁共振模式。然后,研究MIM结构中QE自发辐射的增强(Purcell因子),耦入类SPP(传播的磁共振模式)的效率(p因子),最后得出耦入类SPP的总效果(η因子,即Purcell因子和p因子的乘积)。通过计算这些参数,研究了QE与MIM结构在一阶磁共振情况下的耦合,得到了较好的耦合效果。然后,改变MIM结构的参数对耦合效果进行优化。在对共振影响不大的情况下,当MIM结构的宽度增加以及介质层的厚度减小时,耦合效果有所提高。为了实现在高频下QE与MIM结构的耦合,考虑了MIM结构的二阶磁共振,并得到了较好的效果。这样我们就实现了不同频率的QE与微纳结构中非辐射的类SPP模式的高效耦合。考虑过QE的非辐射模式转化特性之后,我们考虑QE与金属等离子体天线的相互作用,即QE的辐射特性。QE(荧光分子或者量子点)的自发辐射是全方向的,这严重限制了光子的收集。提高QE的自发辐射速率以及其控制辐射方向仍然十分重要并且有一定的挑战性。我们提出了一种十字形金属等离子天线(CPA:cross plasmonic antenna),可用于不同发射波长的三种QE,能将激发散射光以及三种QE的发射光在空间上分在四个不同的方向。这种天线可以同时增强激发和发射的强度,并且我们发现发射光是强偏振光束。加上一块银平板作为基板可以将激发散射光和发射光的方向进一步调节到整个上半空间。这种十字形金属等离子体天线有望于实现高效的,方向性的,强偏振的集成光源,这将在微纳光子学中有很多潜在的应用。
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