光学微腔及其阵列系统中基于强耦合的高次谐波和混沌效应及其全光调控研究

It is well-known that, quantum system in the strong-coupling regime exhibits many unique physical properties. On the one hand, such a strong-coupling condition is easy to be achieved in solid-state optical microcavities and microcavity arrays due to high quality factor and small mode volume except for easy design, control, and integration advantages, the study of optical microcavities and cavity arrays in the ultra-strong coupling regime has been a hot subject. On the other hand, the observed nonlinear optical effects can be achieved at a single-photon level in the strong-coupling regime, which can make higher-order harmonics and chaos possible. In this regard, making use of quantum optics, nonlinear optical and solid-material scientific principles, our project studies mainly the influences of enhanced optical nonlinearities on the generation, conversion, and squeezing of optical higher-order harmonics as well as their micro-mechanisms. At the same time, the project also explores some new schemes and designs new quantum optoelectronic devices to realize chaos via the strong photon-electron coupling in optical microcavities and cavity arrays. These studies not only helps to understand and master the control micro-mechanism between light-matter interaction in the confined quantum systems, quantum coherent control of optical radiation and the enhanced nonlinear optical new features, but also providing the theoretical basis and reference for the research and development of new nano-quantum solid devices.

量子系统在强耦合区域能够显现出众多特有的物理性质。固态光学微腔系统具有易于设计、集成、可控性强的优点，而且具有高品质因子和小模式体积，容易实现强耦合环境，这些使得强耦合条件下微腔及其阵列系统中量子相干调控成为当前研究的热点之一。另一方面，强耦合条件下有时只需要一个或几个光子的光强就可显示出可观测的非线性光学效应，使得光学高次谐波和混沌效应的出现成为可能。本项目将结合量子光学、非线性光学与固体材料学原理，旨在研究量子偶极发射子与光学微腔及其阵列耦合系统中增强的非线性光学效应对高次谐波生成、受控传输及量子压缩等过程作用的微观机制。探索在量子偶极发射子强耦合的光学微腔及其阵列体系中实现光学混沌运动的新方案和新型量子光电子器件。这些研究不仅有助于理解和掌握受限量子体系中光与物质相互作用的调控机理、量子光辐射相干控制、增强的非线性光学新特性，而且可以为将来新型纳米量子器件的研发提供一定的理论依据。

光学微腔与量子偶极发射子强耦合作用的量子调控及其应用的研究是最近10 余年来国内外十分重要且极富创新和挑战的前沿课题。它与许多学科有着紧密的联系，关系到当代科技发展、经济进步和社会生活的诸多方面。特别是，固态偶极发射子-光学微腔量子电动力学系统具有易于设计、集成且可控性强的优点。因此，它们在量子器件、高精密测量、量子模拟、量子仿生、量子信息处理网络以及微电子工业等方面都有着广泛的应用前景，并引起物理、信息、材料等诸多分支学科的广泛关注。.该项目研究了量子偶极发射子与光学微腔耦合系统中增强的非线性光学效应对高次谐波（包括二次或三次谐波）和高阶边带生成、受控传输及Fano共振等过程作用的微观机制。探索了在量子偶极发射子强耦合的光学微腔及其阵列体系中实现全光开关、光传感和光频梳的新方案和新型量子光电子器件。.其结果：1) 提出了芯片型器件产生二次或三次谐波的理论新方案；2) 提出了利用腔电磁诱导透明高效生成高阶边带和光频梳的理论新方案；3) 提出了高精度三维原子局域化及其相关高精密测量技术的理论新方案。.在项目基金的支持下，截至结题报告撰写时本课题三年期限已有相关15篇SCI学术研究论文在国际期刊上发表，具体包括5篇Physical Review A、3篇Journal of Applied Physics、2篇Scientific Reports、2篇Laser Physics Letters、1篇Journal Of Physics B、1篇Journal of Luminescence和1篇Laser Physics。这些学术论文被SCI引用65次，其中他引53次；单篇论文最高SCI引用26次/他引23次。.这种研究不仅有助于理解和掌握光学微腔（包括法布里-珀罗微腔、回音壁模式微腔和光子晶体微腔等）中光子与电子（包括原子、分子、量子阱/量子点和氮空缺中心等）相互作用的调控机理、量子光辐射相干操控、增强的非线性光学新特性，而且有助于促进量子光学、非线性光学、纳米材料学等相关领域的交叉融合。本课题的研究也具有一定的基础应用价值，可以为新型纳米量子器件的研发提供一定的理论依据。