金属-半导体复合纳米结构的光学双稳机理研究

Optical bistability in hybrid metal-semiconductor nanostructures is a hot area of research in nonlinear optics, which promises various potential applications in the field of designing nanoscale functional devices. However, the mechanism of optical bistability in hybrid nanostructures is yet undefined. The project intends to investigate intensively the mechanism of optical bistability in hybrid metal-semiconductor nanostructures by theoretical calculations and experiments. We will duduce the formulas of exciton population and nonlinear absorption coefficient of hybrid metal-semiconductor nanostructures under a strong pump field with a weak probe field in the practical case by using an analytical method, investigate the analytical bistability condition and obtain the relationships between the bistability thresholds for exciton population and induced nonlinear absorption and some physical factors such as structural parameters and excitation conditions; under the guidance of this theory, metal-semconductor hybrid nanostructures are prepared experimentally and the bistability of the samples can be demonstrated by using a pump-probe technique. Through the theoretical and experimental investigations, the mechanism of optical bistability in hybrid metal-semiconductor nanostructures will be revealed, and the methods for adjusting the optical bistability will be proposed, which provide a scientific basis for designing quantum devices based on optical bistability.

金属-半导体复合纳米结构的光学双稳特性是非线性光学的研究热点之一，在纳米功能器件的设计方面具有很大的潜在应用价值，然而复合纳米结构的光学双稳机理尚不明确。本项目拟采用理论计算和实验证明相结合的方法，针对金属-半导体复合纳米结构的光学双稳机理展开深入研究。在理论上用解析法推导在实际情况下金属-半导体复合纳米结构在强泵浦场和弱探测场作用下的激子粒子数和非线性吸收系数表达式，研究光学双稳产生的一般条件，给出结构参量、激发条件等因素与激子粒子数和非线性吸收双稳阈值的关系；在理论指导下，制备金属-半导体复合纳米结构样品，利用高分辨率的泵浦-探测测试系统验证样品的光学双稳态。通过理论和实验研究，阐明复合纳米结构的光学双稳机理，提出光学双稳的调控方法，为基于光学双稳的量子器件的设计提供科学依据。

光学双稳在光学器件设计和量子信息领域具有极为重要的意义。我们利用量子力学的方法重点研究了金属-半导体复合纳米体系、纳米振子体系、半导体量子点-光子晶体纳米腔体系、金属-纳米振子体系的光学双稳特性。（1）在“预研”工作中发现，金属纳米颗粒-半导体量子点复合纳米分子中高效的四波参量放大可以通过调节泵浦场的频率、强度和颗粒间距来实现。其相应的探测波增益可以在[1, 1.43×10^5]区间内连续可调。最大的增益出现在三光子共振位置。（2）设计了一个基于金属-半导体复合分子体系的光学双稳器件。该体系中的光学双稳效应可以通过改变泵浦场的偏振方向来实现开与关，双稳阈值的大小与泵浦场强度、频率、偏振方向以及颗粒间距紧密相关。（3）研究了一个与纳米机械振子体系相互作用的金属纳米颗粒-量子点复合纳米体系的四波混频响应和光学双稳特性。基于激子-等离激元相互作用，四波混频信号将会被极大地抑制和展宽。对于一个给定的泵浦强度和颗粒间距，增强激子声子相互作用可以提高双稳的四波混频信号出现的几率。（4）通过理论计算发现单膜的MoS2纳米振子中不存在光学双稳行为。研究了光在该振子体系中的传播快慢特性。快光和慢光的开与关以及快光和慢光的转换可以通过调节泵浦场频率和强度来实现。（5）研究了半导体量子点-光子晶体纳米腔耦合体系的双稳的四波混频响应。描绘出了在系统参量空间的双稳相位图。仅仅通过调节激发频率或泵浦强度可以轻松实现对双稳效应的开和关。（6）研究了在金属纳米颗粒-单膜MoS2振子复合体系中激子-声子和激子-等离激元相互作用对双稳信号的影响。描绘出了在系统参量空间中的双稳相位图。与激子-声子相互作用相比较，强的激子等离激元相互作用在双稳的产生方面起主导作用。调节颗粒与振子的间距可以改变双稳区间的大小。（7）在实验上，成功制备了与理论模型接近的Au-CdS和Au-PbS样品，并初步研究了其光学特性。有望在实验上证明这类复合结构具有光学双稳特性。