使用表面等离激元调控量子点自发辐射的研究

Benefited from its good monochromaticity, nice coherence, and excellent compatibility, quantum light source based on semiconductor quantum dot has promising applications in the field of quantum information. But this quantum light source is difficult to be applied directly in pratice due to some of its deficiencies, such as weak intensity, large divergence, fixed frequency and so on. Interestingly, recent research shows that quantum dots and metal-dielectric cavity can interact and influence with each other severely, i.e., the radiation of quantum dots can excite surface plasmons, and meantime surface plasmons will influence the spontaneous emission of quantum dots inversely. This project mainly focuses on the study of controlling the spontaneous emission of semiconductor quantum dot system by manipulating different modes of surface plasmons in metal-dielectric cavities. On one hand, we will systematiclly study the intensity distribution and excitation conditions of various surface plasmons modes in metal-dielectric cavities. On the other hand, the interation between quantum dots and metal-dielectric cavities will be investigated both experimently and theoretically. Since the electromagnetic field of surface plasmons can be tightly bounded in metal-dielectric cavity with a high intenstiy, the spontaneous emission of quantum dots can be manipulated by the surface plasmons efficiently and effectively. Then the quality of the quantum source from quantum dots can be improved significantly and thus suitable for various applications.

基于半导体量子点系统的量子光源由于具有良好的单色性、相干性和兼容性，因而在未来量子信息领域具有巨大的潜在应用价值。但是，由于量子点光源存在强度弱、发散角大和频率调谐困难等缺点，因而很难被直接应用。最近的研究发现，量子点自发辐射的光子可以直接激发表面等离激元，同时所激发的表面等离激元也会反作用于量子点，起到增强或抑制量子点自发辐射的作用。本项目拟进行的是：使用金属-电介质腔内不同模式的表面等离激元调控半导体量子点自发辐射过程的理论与实验研究。首先，系统地研究金属-电介质腔内不同模式的表面等离激元的场分布和激发条件。接着，探索和分析腔内表面等离激元与量子点自发辐射的相互作用机理。在腔场作用下，表面等离激元将被高度束缚，并在金属-电介质腔内形成非常高的场强。通过改变量子点周围表面等离激元的场分布，能够有效调控量子点自发辐射的方向角、速率、强度和偏振方向等特性，从而提高量子点光源的实际应用性能。

项目组围绕表面等离激元、量子点、自发辐射、偏振、金属-电介质腔进行了一系列研究，经过3年的努力，完成了研究计划中的内容和目标。在该项目的支持下，研究了用金属-电介质腔中不同模式的表面等离激元对量子点自发辐射的调制作用。不仅系统分析银纳米线-PMMA腔和Si3N4波导内模式分布和能量损耗特性，而且提出用全息波导光栅制备高维量子光源。此外，搭建一套量子纠缠光源制备和测量实验平台，实现量子光源的测量。项目申请人已发表3篇SCI期刊论文，1篇Ei会议论文，1篇核心期刊论文，申请1个专利。.代表性工作如下（项目负责人为第一作者或者通信作者）：.（1）提出了一种基于介质波导光栅产生和控制涡旋光束的方法。通过刻在介质波导上方的全息光栅，实现自由空间涡旋光束和导波内束缚波的相互转换。该工作发表后很快被相关研究小组从实验上进行实现。（2）提出基于傅里叶变换原理的全息光栅对涡旋光场的调控，实现多个轨道角动量叠加的涡旋光场的产生。（3）通过金膜上的激发源和同心半圆凹槽的组合结构获得聚束的表面等离激元，实现在同心半圆凹槽的对称轴以较小的发散角向前传输几微米,对表面等离激元在集成光学中的应用具有重要意义。