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半导体量子点电磁感应透明介质中的空间光孤子性质

曾宽宏  
【摘要】:空间光孤子是由于介质体系中的非线性效应与光束的空间衍射效应相平衡使光束在空间上产生局域现象。对于传统的被动介质,如光纤,若获得强的非线性效应则所需要光强较强。从而在弱光激发下,空间光孤子是难以在传统介质中产生。所幸的是,电磁感应透明(EIT)能通过弱光激发产生极强的非线性效应,为空间光孤子的形成又提供了一个理想场所。EIT是指光与介质相互作用时,通过激光诱导在介质体系的不同能级之间的跃迁产生相消干涉,从而抑制介质对光脉冲的吸收,使介质体系对探测光脉冲实现透明效应。目前关于EIT及空间光孤子的研究主要集中在超冷原子EIT介质体系。但超冷原子EIT介质由于存在低温、稀薄、难以精确控制、不易于集成等诸多局限则难以付之实际应用。于是人们渴望寻找一种能级类似于超冷原子,但又能弥补超冷原子应用方面不足的新介质。被人们称为“人工原子”的半导体量子点成为候选介质之一。这是由于半导体量子点不仅具有类似原子的分立能级、可控的相干演化等特性,还具有电偶极矩大、易于集成等优势。尤其是其成熟的半导体工艺和分子束外延技术的发展,极大地促进了其在半导体器件中的发展。因而,对半导体量子点EIT介质中的空间光孤子的研究,不仅能为半导体材料中的量子相干性质的理论进行完善而且还能为半导体光学器件的制备提供一定的参考价值。全文总共分为四章,其主要结构如下: 第一章,首先介绍了EIT现象的基本知识,着重叙述由于体系产生EIT效应所引起Kerr非线性效应增强,从而形成空间光孤子;随后对半导体量子点系统中的类原子特性和目前的主要研究进展进行了阐述;最后,就本文研究的主要方法和主要结果进行了简要概括。 真实的半导体单量子点系统存在激子-双激子态相干效应,因此第二章研究了环形四能级半导体单量子点系统中考虑激子-双激子相干效应对体系中探测光和信号光的线性和非线性特性的影响。结果表明,在线性条件下,单量子点中出现电磁感应透明现象;进一步分析发现,电磁感应透明所呈现的是单窗口或双窗口或光学增益均可通过调节控制光强加以控制。在非线性条件下,弱信号光诱导弱探测光产生两个分量,这两个分量在系统中所激发的自克尔和交叉克尔非线性效应与系统的衍射效应相平衡从而形成稳定的亮-亮,亮-暗,暗-暗等空间光孤子对。 由于半导体单量子点可以通过点间隧穿等方式进行耦合,形成量子点分子,因而在量子点分子系统中,由于点间隧穿耦合强度的存在必将出现新的物理性质。基于此,第三章研究了半导体量子点分子系统中点间隧穿耦合强度对体系中线性吸收特性和空间光孤子性质的影响。结果表明,在线性情况下,当点间隧穿耦合强度较弱时,体系的吸收特性呈现出隧穿诱导透明现象,然而当点间隧穿耦合强度较强时,体系中的隧穿诱导透明效应将被Autler-Townes splitting效应所取代。研究体系的非线性情况,我们发现在半导体量子点分子系统中空间光孤子能够在弱光激发下形成。所形成的空间光孤子是亮空间光孤子还是暗空间光孤子取决于点间隧穿耦合强度和失谐量的大小。且获得体系暗、亮空间光孤子之间的转变条件。通过计算点间隧穿耦合强度对孤子幅度的影响发现,随着点间隧穿耦合强度的增加,空间光孤子的幅度总是呈现出先减小、后增加的趋势。 最后,我们对全文的研究工作进行简要的总结的同时,也对半导体量子点系统中的EIT这一前沿研究领域有关的非线性光学效应的后续工作进行了展望。


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