量子發(fā)射體—微腔耦合系統(tǒng)的光輻射研究.pdf

1、本文是在腔量子電動力學(xué)框架下研究量子發(fā)射體(原子或量子點(diǎn))同受限系統(tǒng)中量子化電磁場(腔模)相互作用的光輻射,其相互作用的強(qiáng)弱可分為弱耦合和強(qiáng)耦合機(jī)制。當(dāng)光子與發(fā)射體相互作用強(qiáng)度克服了損耗,系統(tǒng)進(jìn)入了強(qiáng)耦合機(jī)制,此時不可逆轉(zhuǎn)的自發(fā)輻射動力變成可逆了,發(fā)射體同腔模之間的能量可以相互交換。通常在強(qiáng)耦合機(jī)制下這些固態(tài)系統(tǒng)具有非相干光泵浦激發(fā)特點(diǎn)。因此在非相干激發(fā)時半導(dǎo)體量子點(diǎn)強(qiáng)耦合適當(dāng)?shù)睦碚撃Ｐ头浅Ｖ匾?它可以指導(dǎo)當(dāng)前的大量實驗,這些實驗又促進(jìn)

2、了量子點(diǎn)腔系統(tǒng)強(qiáng)耦合實現(xiàn)。在這項工作中,我們提供了一種在非相干激發(fā)下能描述單量子點(diǎn)置于微腔中強(qiáng)耦合時的理論模型,利用包括非相干泵浦,退相干項量子主方程,并結(jié)合量子回歸定理,考慮相關(guān)初始條件,理論推導(dǎo)和數(shù)值計算得出量子點(diǎn)腔相互作用發(fā)射光譜。本論文的研究內(nèi)容和結(jié)論包括:
　　首先,基于全量子理論我們研究了二能級原子與單模腔耦合系統(tǒng),通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計算得出系統(tǒng)的自發(fā)輻射光譜和平均粒子數(shù)密度。共振時腔與原子的發(fā)射光譜在強(qiáng)耦合與弱耦合區(qū)

3、域有所不同,腔發(fā)射光譜分裂只出現(xiàn)于強(qiáng)耦合區(qū)域,而原子發(fā)射光譜由于腔感應(yīng)透明效應(yīng)在弱耦合區(qū)域出現(xiàn)了缺口。本文系統(tǒng)地研究了原子與腔在失諧時的發(fā)射光譜,在好腔機(jī)制(腔線寬k<原子線寬g)原子與腔即使在大失諧時腔發(fā)射出腔頻率的光子,這給當(dāng)前實驗上費(fèi)解的特性提供了一個理論依據(jù)。為了給腔感應(yīng)透明效應(yīng)一個新的視野,本文還研究了原子與腔平均粒子數(shù)密度隨時間的演化,以及平均粒子數(shù)密度與光強(qiáng)度之間的關(guān)系。
　　其次,利用量子主方程理論研究了量子點(diǎn)—腔

4、耦合系統(tǒng)。為了說明理論模型,我們分析了一個量子點(diǎn)微柱腔強(qiáng)耦合實驗。經(jīng)研究我們發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時泵浦產(chǎn)生一個新的強(qiáng)耦合標(biāo)準(zhǔn),泵浦可以抑制或者增強(qiáng)強(qiáng)耦合;腔發(fā)射譜雙峰結(jié)構(gòu)并不是強(qiáng)耦合的明確特征,它還依賴于非相干泵浦。研究表明:強(qiáng)耦合經(jīng)常出現(xiàn)變相的單峰而弱耦合出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)所控制的參數(shù)值密切相關(guān);激子泵浦增加時,腔發(fā)射譜由雙峰逐漸變成增寬的單峰最后變成窄的單峰;腔衰減率增加時,均為雙峰結(jié)構(gòu)的腔發(fā)射光譜經(jīng)歷了從強(qiáng)耦合到弱耦合的轉(zhuǎn)變。量子點(diǎn)

5、腔失諧系統(tǒng)有效耦合強(qiáng)度與非相干泵浦密切相關(guān)。
　　最后,利用考慮了非相干泵浦、受激輻射和純退相干的量子主方程研究了量子點(diǎn)腔耦合系統(tǒng),求出腔與量子點(diǎn)平均粒子數(shù)密度和發(fā)射光譜解析解。作為理論的實例說明,我們分析了一個對以后發(fā)展有著巨大影響的量子點(diǎn)微柱腔系統(tǒng)強(qiáng)耦合實驗。我們發(fā)現(xiàn),諧振時受激輻射對平均粒子數(shù)密度和譜線增寬影響非常大;非諧振時純退相干能使腔發(fā)射譜產(chǎn)生明顯的移位效應(yīng)和提高有效耦合率與單光子源效率,可以使壞腔轉(zhuǎn)變?yōu)楹们?從而作為