廣義納米光機械系統(tǒng)的光學傳播特性及其應用.pdf

1、納米機械系統(tǒng)是納米尺度的機械系統(tǒng)，這類機械系統(tǒng)通常具有超高的品質(zhì)因子、超高的振動頻率，超輕的質(zhì)量，超高的靈敏度等優(yōu)秀的性質(zhì)。此外，基于它的眾多優(yōu)點，納米機械系統(tǒng)可以用于力和質(zhì)量的探測。一些超小型的納米探測器在原子尺度有很好的空間分辨率，并且其振動頻率可以達到THz的量級。此外，如果該納米機械系統(tǒng)與其它小量子系統(tǒng)(如原子、電子、量子點、單電子晶體管、納米金屬顆粒等)耦合起來，該耦合系統(tǒng)還可用于研究許多奇異的量子現(xiàn)象和檢測基本的量子定律。特

2、別的，當一個納米機械振子和一個光學諧振腔耦合的時候，便形成了目前研究比較熱門的納米光機械系統(tǒng)?；诩{米光機械系統(tǒng)的超快、超慢光以及非線性效應越來越多的應用在量子通訊、全光開關、信息傳輸?shù)阮I域?？梢詳嘌?，隨著納米光機械系統(tǒng)的廣泛應用，量子力學在今后將會逐漸滲透到其他學科。
　　運用量子力學和光學的原理，本論文介紹了五個具有代表性的納米光機械系統(tǒng)，他們分別是：
　　(1)最小的納米光機械系統(tǒng)—量子點；
　　(2)單量子點與

3、納米機械振子的耦合系統(tǒng)；
　　(3)單量子點和納米光子晶體耦合系統(tǒng)；
　　(4)碳納米管系統(tǒng)；
　　(5)量子點和DNA分子的耦合系統(tǒng)。利用海森堡-郎之萬方程、波恩馬科夫近似等量子力學理論，通過計算機模擬，論文討論了這五個納米光機械系統(tǒng)的光學傳播特性，在理論上解決了一些在納米機械系統(tǒng)中遇到的問題和存在的缺陷，提出了一些新的光學器件，用于探索納米光機械系統(tǒng)的基本性質(zhì)，并把這些器件滲透到生物、化學等其他交叉領域。本文的主要

4、結(jié)構(gòu)如下：
　　論文的第一章是緒論，主要介紹了納米光機械系統(tǒng)的基本概念、制備、應用及其發(fā)展歷史，包括它在當今研究領域占有的地位。
　　第二章介紹了求解納米光機械系統(tǒng)常用到的三種方法。分別是海森堡方程求解方法，密度矩陣理論和量子海森堡-朗之萬方程。證明了無論用這三種理論方法中的哪一種都可以得到納米光機械系統(tǒng)的光學傳播特性。因此，熟練掌握這三種方法可以快速簡便的求解納米光機械系統(tǒng)的哈密頓方程，進而預測新材料和新性質(zhì)。
　　

5、第三章介紹了最小的納米光機械系統(tǒng)—量子點，在雙光探測下產(chǎn)生的光學傳播特性。量子點作為固態(tài)納米材料在很早的時候就被人們研究過。本論文是第一次指出量子點可以看做最小的納米光機械系統(tǒng)，它具有其生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)技術(shù)成熟、便于小型化等優(yōu)點。
　　論文的第四章研究了納米機械振子和量子點耦合系統(tǒng)中的光學傳播特性，在理論上提出了四個實用型光學器件，如：快慢光轉(zhuǎn)換器，納米光克爾開關、高靈敏光學質(zhì)譜儀和納米存光裝置。此外本章首次介紹了如何通過pump

6、-probe技術(shù)精確測量納米機械振子振動頻率及其與量子點的耦合常數(shù)的方法。
　　論文的第五章研究了量子點與納米光子晶體腔耦合系統(tǒng)的光學傳播特性。根據(jù)pump-probe技術(shù)，在理論上提出了一個雙光控制的量子光學晶體管，與傳統(tǒng)的電學晶體管相比，此量子光學晶體管的靈敏度高、能耗低、成本低。
　　第六章介紹了碳納米管系統(tǒng)的光傳播特性。在理論上證明了在兩束光的控制下，碳納米管的振動與其內(nèi)部局域激子的相互作用仍然可以看做納米光機械系統(tǒng)

7、。碳納米管在線性領域可以用于稱量納米級顆粒的質(zhì)量。由于碳管的質(zhì)量輕，體積小，品質(zhì)因數(shù)高，因此基于碳納米管的質(zhì)譜儀靈敏度也非常高；在非線性領域，論文提出了基于碳納米管的量子光克爾調(diào)節(jié)器。此外本章最后還提出了幾種基于自旋和碳納米管耦合系統(tǒng)的量子光學器件，如單光子路由器和量子微波晶體管。
　　第七章介紹了量子點和DNA分子的耦合系統(tǒng)。在本章中DNA分子被處理成經(jīng)典的諧振子模型。論文證明了在一束強泵浦光的照射下，當信號光穿過整個耦合系統(tǒng)時