【摘 要】
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自量子霍尔效应被发现以来,人们广泛地研究了各种拓扑态,最典型的例子有拓扑绝缘体和拓扑半金属。除此之外,人们在冷原子晶格、光子晶体、声子晶体、耦合谐振子阵列、超构材料等物理体系中也构建了拓扑态。拓扑结构最重要的特征之一就是受拓扑保护的边缘态。在光学体系中,这种拓扑边缘态可以形成拓扑光学谐振腔从而增强光与物质相互作用,也可以改变材料的辐射特性来实现新型的拓扑激光器和拓扑量子辐射光源。因此,利用拓扑微腔
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自量子霍尔效应被发现以来,人们广泛地研究了各种拓扑态,最典型的例子有拓扑绝缘体和拓扑半金属。除此之外,人们在冷原子晶格、光子晶体、声子晶体、耦合谐振子阵列、超构材料等物理体系中也构建了拓扑态。拓扑结构最重要的特征之一就是受拓扑保护的边缘态。在光学体系中,这种拓扑边缘态可以形成拓扑光学谐振腔从而增强光与物质相互作用,也可以改变材料的辐射特性来实现新型的拓扑激光器和拓扑量子辐射光源。因此,利用拓扑微腔调控量子辐射引起了相当大的关注。但到目前为止,这些拓扑微腔大多是单共振的谐振腔,只针对泵浦激光波长或量子发射体的辐射波长共振。然而,在一些采用双共振的纳米天线和耦合的光学谐振腔的微纳光子结构的工作中证明了:如果将量子发射体置于可以同时与泵浦激光波长和量子发射体的辐射波长双共振的谐振腔中,就可以获得更高的量子发射效率。尽管这些结构能够在两个特定的波长实现共振,但不能根据实际应用需要自由地对与泵浦激光波长和辐射波长相匹配的共振模式进行调整。而且由于这种双共振的微纳结构没有拓扑保护的性质,量子发射体的辐射特性很容易受到各种缺陷以及外界环境的影响。因此,设计出可以针对任意的泵浦激光波长和辐射波长同时共振的双共振拓扑微腔具有很好的实际应用价值。但据我所知,至今很少有文章报道可自由调谐泵浦激光波长和量子发射体的辐射波长的双共振拓扑微腔。本文的创新点在于:我们首次提出了一种利用特殊拓扑光子体系,即不对称的双共振拓扑Tamm微腔结构来增强量子发射的方法。这种结构具有两个可自由调谐的谐振腔模式,能够根据实际应用的需要同时针对任意的两个波长进行双共振,并且结构简单、容易实现。在这项工作中,我们的主要研究思路如下:1.通过转移矩阵构造双共振拓扑Tamm微腔,该结构可针对任意的双波长进行共振。分析结构参数对其光学特性的影响,为接下来在结构中掺杂量子发射体并改变其量子发射效率的研究做铺垫。2.将量子发射体嵌入到与泵浦激光波长和量子发射体的辐射波长双共振的拓扑Tamm微腔中。根据理论仿真结果,研究其耦合参数和结构参数对量子发射特性的增强,并且使用双谐振腔含时耦合模理论解释了双共振Tamm微腔增强量子发射的机理。3.从实验上验证双共振Tamm微腔对量子发射的双增强。在我们的实验中,我们在三种不同情况下研究量子发射体的光致发光(PL)强度和发射衰减速率。这三种情况分别是泵浦激光波长或者量子发射体的辐射波长处于结构的共振模式,以及泵浦激光波长与辐射波长都处于结构的共振模式。最后,我们详细地阐述和分析了实验结果,证明了与泵浦激光波长和量子发射体的辐射波长同时匹配的双共振Tamm微腔可以实现量子发射的双增强。最后,对硕士期间的工作进行了总结与展望。我们相信这项工作为实现光与物质相互作用的显著增强提供了一个可行的方案,这在光学探测、滤波、拓扑辐射光源、拓扑激光和量子信息等领域有着潜在的应用。
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