【基金標(biāo)書】2010CB923200-固體系統(tǒng)中光與物質(zhì)強(qiáng)耦合作用的量子調(diào)控研究

項(xiàng)目名稱： 固體系統(tǒng)中光與物質(zhì)強(qiáng)耦合作用的量子調(diào)控研究 首席科學(xué)家： 王雪華 中山大學(xué) 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 教育部 一、研究?jī)?nèi)容 隨著固態(tài)器件朝著低維、小尺度方向快速發(fā)展，信息 處理單元將會(huì)很快縮小至原子尺度量級(jí) ,基本量子特性 量子相干性 在信息的存儲(chǔ)、傳遞和處理過(guò)程中起著核心的作用 。 要實(shí)現(xiàn)真正意義上的量子信息處理，首先必須解決量子比特系統(tǒng)的可拓展性問(wèn)題，固態(tài)量子系統(tǒng)在解決這一問(wèn)題方面具有天然的優(yōu)勢(shì) 。 在 固態(tài)量子信息領(lǐng)域， 量子 電子體 系與光 子 之間的 量子相干 信息 交換是量子信息處理 和傳播的關(guān)鍵 所在 。 然而 ,固態(tài)量子系統(tǒng)中的退相干效應(yīng)比較嚴(yán)重， 在信息交換與保留的時(shí)間尺度 維持 量子 系 統(tǒng)中的 量子相干態(tài) 是主要的挑戰(zhàn) ?？朔@一挑戰(zhàn)的 關(guān)鍵 就是在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光子與量子 電子 體 系的強(qiáng)相互作用，在強(qiáng)相互 作用區(qū)，不僅可以調(diào)控電子的量子態(tài)性質(zhì)，還可調(diào)控光子的量子態(tài)性質(zhì)以及 非線性光學(xué)效應(yīng)。 因此， 本項(xiàng)目擬解決的若干關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題如下： （一）擬解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題 1、 準(zhǔn)確 調(diào)諧功能微納電磁介質(zhì)中量子電子系統(tǒng)與局域光子模 在空間上和能譜上產(chǎn)生共振強(qiáng) 相 互 作用 ，為此，需要發(fā)展能準(zhǔn)確模擬光子局域模 與量子電子系統(tǒng)相互作用的數(shù)值計(jì)算方法和 開發(fā)功能微納結(jié)構(gòu)的新型探測(cè)和表征系統(tǒng)。 2、 探明基于 金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離激元 效應(yīng)的光子與量子 電子 系統(tǒng) 相互作用的 物理機(jī)制 ， 尋找基于表面等離激元效應(yīng) 的 快速、高效 單光子探測(cè)的新方案 ，發(fā)展 具有 高效 非線性光學(xué)增強(qiáng) 效應(yīng) 的納米金屬和介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu) 的 制備 技術(shù)。 3、 實(shí)現(xiàn) 固態(tài)量子系統(tǒng)中強(qiáng) 相互作用 條件下超快激光 操控載波 蕩、孤子脈沖產(chǎn)生等非線性效應(yīng) ，發(fā)展超高時(shí)間分辨、超高靈敏的超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)技術(shù)，利用飛秒整形脈沖實(shí)現(xiàn)自旋相干態(tài)的亞皮秒超快旋轉(zhuǎn)操作。 4、 發(fā)展 多周期量子點(diǎn)層 微納 結(jié)構(gòu)的精 確生長(zhǎng)技術(shù) , 探索該 結(jié)構(gòu) 中光子與共振激發(fā)介質(zhì)的相干耦合，利用超快量子光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn) 光子 緩存； 依據(jù)耦合的量子體系，進(jìn)行光量 子的反饋?zhàn)詫W(xué) 控 制 ， 制備和演示 光 量 子 操控的 功能性 原 理 器件 。 （二）主要研究?jī)?nèi)容 固態(tài)系統(tǒng)中光子與電子強(qiáng)相互作用是保持 量子相干 性的關(guān)鍵，而 光量子操控是實(shí)現(xiàn)量子信息交換的關(guān)鍵。我們將從 三 條不同的途徑研究固態(tài)系統(tǒng)中光與物質(zhì)強(qiáng)相 互作用 的實(shí)現(xiàn)方法及其固態(tài)量子調(diào)控原理，同時(shí)就光量子操控這一共性問(wèn)題開展研究。主要研究?jī)?nèi)容如下： （ 1） 固態(tài)功能微納電磁介質(zhì)中光 子 相互作用的量子調(diào)控研究 。 發(fā)展位置依賴的光 子 態(tài)功能微納電磁介質(zhì)中 量子光輻射特性和其它量子光學(xué)性質(zhì)；探索 層狀微納 周期、準(zhǔn)周期和特異介質(zhì)（ 缺陷態(tài)、表面態(tài)及界面態(tài)與 量子 電子 系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn) 共振強(qiáng)耦合作用 的 實(shí)驗(yàn) 方法和控制手段； 研究 在強(qiáng)藕合條件下 電子與光子 量子相干態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化 ，探索含量子點(diǎn)的固態(tài)藕合多微腔結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展量子比特糾纏新方案，以及波導(dǎo) 研究 高精 度、低成本 、能大批量制備 層狀微納結(jié)構(gòu) 材料與器件的納米制備工藝與技術(shù) ， 以及 層狀 微納結(jié)構(gòu)及其器件光電特性的新型測(cè)試技術(shù)和表征方法。 研 究電光晶體產(chǎn)生高亮度糾纏光子源的方法以及在量子密碼通訊中的應(yīng)用。 （ 2）基于表面等離激元效應(yīng)的光子 研究金屬及介質(zhì) 展基于 表面等離激元效應(yīng)的光子與量子電子系統(tǒng)相互作用的量子理論， 研究 與表面等離激元相關(guān)的量子光學(xué)新現(xiàn)象； 探索基于 金屬 微納結(jié)構(gòu) 表面等離 激元效應(yīng)的量子相干性保持轉(zhuǎn)移 的物理機(jī)制和提高單光子探測(cè)效率的新方案；研究基于表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)特性誘導(dǎo)的非線性光學(xué)效應(yīng)機(jī)理和增強(qiáng)介質(zhì)非線性光學(xué)特性的方法，探索控制光對(duì)信號(hào)光的調(diào)制規(guī)律；發(fā)展能精 確制備亞波長(zhǎng)尺度金屬表面微納結(jié)構(gòu)，以及介質(zhì)藝和技術(shù)。制備 功能性 表面等離激元微腔、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究其中光輻射的收縮成束效應(yīng)、高方向性和高極化特性。 （ 3）超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的超快動(dòng)力學(xué)及量子相干控制研究 。 發(fā)展 非慢變振幅近似和非旋波近似條件下周期量級(jí)超短脈沖激光與半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)相互作用的嚴(yán)格數(shù)值計(jì)算方法，研究 超快激光操控載波 蕩、孤子脈沖產(chǎn)生等非線性效應(yīng) ； 探索強(qiáng)耦合條件下超短脈沖激光控制超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的新現(xiàn)象和新機(jī)制，研究飛秒脈沖激光與 子點(diǎn)電子自旋 的相互作用 及其 超快相干控制，探索量子點(diǎn)自旋相干態(tài)的超快旋轉(zhuǎn)操作 新原理 和 新 方法； 發(fā)展 超高時(shí)間分辨和超高靈敏的新型探測(cè)技術(shù)， 研究 半導(dǎo)體 微納結(jié)構(gòu)中 載流子的 激發(fā) 、 弛 豫及超快激光操控 過(guò)程 ； 研究飛秒激光作用下微納結(jié)構(gòu) 中 基于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的吸收光譜、光致發(fā)光特性、表面拉曼增強(qiáng)效應(yīng)等。 （ 4） 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性光量子調(diào)控器件研究 ： 研究多周期量子點(diǎn)層微納結(jié)構(gòu)材料的能帶結(jié)構(gòu)、 極化激元模 的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)光學(xué)特征，以及超短激光脈沖與周期排列的量子點(diǎn)層共振相互作用所導(dǎo)致的光子減速、存儲(chǔ)以及受控釋放等緩存過(guò)程；探索 利用 長(zhǎng) 具有 尺寸、形狀、密度、應(yīng)變以及周期性均勻的量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu)的 方法； 系統(tǒng)地發(fā)展基于相位空間調(diào)制器的多光束干涉技術(shù)研究制備層狀與立體結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)可調(diào)微納器件；發(fā)展基于自學(xué)控制、反饋控制以及基因控制的量子工程學(xué)控制理論和方法 精確制備出有重要應(yīng)用價(jià)值的功能性光 量 子 調(diào)控 器件，如光子晶體波導(dǎo) 、 微腔 及其復(fù)合結(jié)構(gòu) 等器件。 二、預(yù)期目標(biāo) (一 )總體目標(biāo) 與量子調(diào)控 相關(guān)的量子生長(zhǎng)、構(gòu)造和控制技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和未來(lái)高新技術(shù)的發(fā)展，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有極為重要的地位。本項(xiàng)目正是基于國(guó)家的這一重大戰(zhàn) 略 需求，提出探索固態(tài)系統(tǒng)中 光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用的調(diào)控機(jī)理、量子光輻射控制、可擴(kuò)展量子糾纏的實(shí)現(xiàn)、非線性光學(xué)效應(yīng)、量子態(tài)的存儲(chǔ)、量子態(tài)動(dòng)力學(xué)超快探測(cè)和超快激光操控等的新原理、新方法和新技術(shù)。我們將采用理論和實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合的方式，攻克固態(tài)系統(tǒng)中光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用及其新型量子光電子器件中的重大科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，為固態(tài)量子調(diào)控及其量子光電子器件奠定基本原理和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，取得原創(chuàng)性的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為我國(guó)在未來(lái)國(guó)際高新技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地做出重要的貢獻(xiàn)。此外，通過(guò)本項(xiàng)目的研究在量子調(diào)控領(lǐng)域培養(yǎng)國(guó)家杰出青年基金獲得者 1名， 全國(guó)百優(yōu)博士論文（提 名） 1人次 ，博士后 6究生 110名；發(fā)表 60篇，發(fā)明專利 32項(xiàng)。 (二 )五年預(yù)期目標(biāo) 1. 建立層狀微納結(jié)構(gòu)、金屬納米結(jié)構(gòu)中局域光場(chǎng)及 超短脈沖激光 與量子電子系統(tǒng)相互作用的量子理論，并發(fā)展出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)值計(jì)算方法和數(shù)值模擬軟件。 2. 獲得通過(guò)平面固態(tài)微腔、金屬表面等離激元效應(yīng)、 超短脈沖激光三條途徑實(shí)現(xiàn)光子與 量子 電子 系統(tǒng) 強(qiáng) 相互 作用 的 實(shí)驗(yàn) 方法和控制技術(shù)，理解強(qiáng)藕合條件下 電子與光子 量子相干態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制。 3. 演示基于藕合微腔結(jié)構(gòu)的多量子比特糾纏新方案，通過(guò)波導(dǎo) 效、方 向性好的單光子輻射， 研制出基于 表面等離激元效應(yīng)的快速、 高 效 單光子探測(cè) 原理器件。 4. 發(fā)展 高精 度、低成本 、能大批量制備 層狀微納結(jié)構(gòu) 、金屬納米結(jié)構(gòu)及其器件的納米制備工藝與技術(shù) ， 建立能探測(cè)和表征微納結(jié)構(gòu)及其量子光電子器件性能的新型測(cè)試技術(shù)和表征方法。 5. 制備出性能良好的金屬 用 表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)特性誘導(dǎo) 的非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn) 控制光對(duì)信號(hào)光的調(diào)制 ， 演示一至二個(gè)對(duì)信號(hào)光調(diào)控的原理 型 器件 。 6. 揭示超短脈沖激光量子相干控制及固態(tài)系統(tǒng)中超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的新現(xiàn)象和新機(jī)制，利用飛秒整形脈沖 實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)自旋態(tài) 的 亞皮秒超快 相干旋轉(zhuǎn)控制 ，建立超高時(shí)間分辨和超高靈敏的新型探測(cè)技術(shù) 系統(tǒng)。 7. 利用 備出 周期性均勻的量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu) ，通過(guò)這種共振介質(zhì)中的自感應(yīng)透明，拉比翻轉(zhuǎn)等量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光子的減速、存儲(chǔ)、釋放，演示 工作 在近紅外波段，調(diào)控時(shí)間 s 量級(jí)的光量子調(diào)控 原理型 器件 。 8. 建立基于逆向 設(shè)計(jì)與逆向 算法 的能自動(dòng) 優(yōu)化功能性微納 光電子器件設(shè)計(jì)與制作 的工程實(shí)驗(yàn)裝置 ，一次性 制備出功能性光 量 子 調(diào)控 器件，如光子晶體波導(dǎo) 、 光子晶體微腔 及其復(fù)合結(jié)構(gòu)器件 等 。 三、研究方案 (一 ) 學(xué)術(shù)思路、技術(shù)途徑 學(xué)術(shù)思路： 量子信息科學(xué)與技術(shù)是利用量子力 學(xué)原理對(duì)信息進(jìn)行操控和傳輸，其本質(zhì)就是量子態(tài)的調(diào)控。 要實(shí)現(xiàn)真正意義上的量子信息處理，首先必須解決量子比特系統(tǒng)的可拓展性問(wèn)題，固態(tài)量子系統(tǒng)在解決這一問(wèn)題方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，特別是基于現(xiàn)代微納半導(dǎo)體技術(shù)的固態(tài)量子系統(tǒng)， 其應(yīng)用和最終產(chǎn)業(yè)化的可行性更高 。 然而 , 固態(tài)量子體系受周邊環(huán)境的影響比較嚴(yán)重 ， 抑制其退相干 ，維持其量子相干狀態(tài)遇到了更大的挑戰(zhàn) ?？朔@一 挑戰(zhàn)的關(guān)鍵就是在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光子與量子電子系統(tǒng)的強(qiáng)相互作用， 在強(qiáng)相互作用區(qū)，不僅可以調(diào)控電子的量子態(tài)性質(zhì)，還可調(diào)控光子的量子態(tài)性質(zhì) 及非線性光學(xué)特性 。 因此， 本項(xiàng)目 的核心科學(xué)問(wèn)題是要在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 光與物質(zhì)的強(qiáng)相 互作用，克服環(huán)境的退相干影響， 從而 實(shí)現(xiàn)電子態(tài)、光子態(tài)的量子調(diào)控和非線性光學(xué)效應(yīng)。 本項(xiàng)目將從 三 條不同的 途徑 研究固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)強(qiáng)相 互作用 及其量子調(diào)控的原理、方法和技術(shù) ： （ i）通過(guò) 具有 強(qiáng) 非均勻 性 電磁 場(chǎng)分布的功能 微納 結(jié)構(gòu)，如能產(chǎn)生光子局域模 的層狀平面光學(xué)微腔結(jié)構(gòu) 和 能形成 界面模的 特異材料（ 微納結(jié)構(gòu) ； （ 通過(guò) 金屬納米結(jié)構(gòu)及其介電材料復(fù)合結(jié)構(gòu)中的表面等離激元效應(yīng)，這種系統(tǒng)中有非常強(qiáng)的局域 場(chǎng) 增強(qiáng)效應(yīng)； （ 通過(guò)超 短脈沖 激光與物質(zhì) 的強(qiáng)相互作用。超 短脈沖 激光不僅可產(chǎn)生強(qiáng)耦合相互作用，同時(shí)還是量子態(tài)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的一種強(qiáng)有力的表征手段。 上述三個(gè)方面的研究都將 涉及 固態(tài)量子調(diào)控研究中非常重要的一個(gè)共性問(wèn)題：即光量子的操控。 基于上述的三種相互作用途徑和一個(gè)共性問(wèn)題的學(xué)術(shù)思想，本項(xiàng)目設(shè)立相應(yīng)的四個(gè)課題組： （ 1） 固態(tài)功能微納電磁介質(zhì)中 光子 量子 調(diào)控 研究 ，側(cè)重于量子光輻射控制和量子糾纏新方案的研究 ； （ 2） 基于表面等離激元 效應(yīng) 的 光子 量子 調(diào)控 研究 ，側(cè)重于 量子光學(xué)與非線性 光學(xué) 效應(yīng) 的 研究； （ 3） 超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的 超快動(dòng)力學(xué)及量子相干控制研究，側(cè)重于超快過(guò)程、相干效應(yīng)及量子態(tài) 的 超快操控研究； （ 4） 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調(diào)控器件 研究 ， 側(cè)重于 利用量子光學(xué)原理開展光子 緩存和 相關(guān) 功能性 光量子 調(diào)控 器件的研究 。 技術(shù)途徑： 首先，我們采用基于平面波展開的轉(zhuǎn)移矩陣方法、 數(shù)方法及時(shí)域有限差分法（ 發(fā)展強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算工具，開發(fā)出一整套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)值計(jì)算軟件平臺(tái)，用于準(zhǔn)確計(jì)算層狀微納結(jié)構(gòu)中的光子局域態(tài)密度和光子 此基礎(chǔ)上，發(fā)展和推廣我們建立的位置依賴的耦合相互作用理論 ，研究層狀微納結(jié)構(gòu)中新穎的量子光學(xué)現(xiàn)象。 根據(jù)所建立的模擬軟件，優(yōu)化微納材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和物質(zhì)參數(shù)， 設(shè)計(jì)出功能微納結(jié)構(gòu)（如高品質(zhì)平面微腔）及其 相應(yīng)的 光電子器件 。尤其是優(yōu)化半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，提高其發(fā)光效率；優(yōu)化單光子發(fā)射器的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 快速、高效、方向性好的單光子輻射； 優(yōu)化微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光子 相互作用。在模擬各種微納結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的電磁性能中，進(jìn)一步優(yōu)化模擬軟件，力爭(zhēng)將其推廣到市場(chǎng)上，填補(bǔ)我國(guó)在這方面的空白。 在層狀微納結(jié)構(gòu)的制備上，我們將主要利用電子束直寫設(shè)備（ 150 電子膠上定義圖形，通過(guò)顯影出現(xiàn)二維圖形，然后利用反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備（ 00相應(yīng)的圖形依次轉(zhuǎn)移到預(yù)期的半導(dǎo)體高折射率層上。在這個(gè)過(guò)程中，主要需要克服的是： a)如何 在 提高電子束直寫速度的同時(shí)又不影響它的精度， b)如何使圖形不失真地轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體層上，在這方面我們已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于單量子點(diǎn)的定位和操縱，我們計(jì)劃采用 兩種方法，一種是先在半導(dǎo)體層上生長(zhǎng)相應(yīng)的量子點(diǎn)，然后通過(guò)標(biāo)記確定量子點(diǎn)在芯片上的分布，再利用電子束直寫定義微腔，從而制備出存在單量子點(diǎn)的微腔，另一種方法是先制備微腔，再用納米操縱臂將量子點(diǎn)（利用化學(xué)方法生長(zhǎng)的）移到微腔中的指定位置（我們已經(jīng)在掃描電子顯微鏡上安裝了具有 2位 精度的納米操縱臂，能夠完成這樣的任務(wù)）。此外，還將利用納米球陣列掩模法、納米壓印法和激光全息和雙光子直寫等工藝定義納米結(jié)構(gòu)。我們?cè)诩{米球陣列掩模法和激光全息法定義和飛秒激光雙光子直寫微納結(jié)構(gòu)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們將利用這些方法開 發(fā)出高速、低 成本 制備納米表面圖形的工藝技術(shù)，應(yīng)用于各種功能微納電磁結(jié)構(gòu)的制備。 在微納結(jié)構(gòu)光電特性測(cè)試方面，建立獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)。比如利用近場(chǎng)掃描顯微系統(tǒng)，探索將飛秒激光耦合進(jìn)微納結(jié)構(gòu)，同時(shí)控制飛秒激光的模式，同一時(shí)間內(nèi)探測(cè)多個(gè)具有單量子點(diǎn)的微腔之間的耦合相互作用。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們將利用多光纖探針和高倍顯微鏡同時(shí)觀察光與物質(zhì)相互作用的時(shí)間演變和空間分布。 在“基于表面等離激元效應(yīng)的光子 面，首先 建立不同納米金屬結(jié)構(gòu)中光子與量子電子系統(tǒng)相互作用的哈密頓體系表示方法，理論上 研究通過(guò)人工操控的方法（外加電場(chǎng)或者磁場(chǎng)）改變相互作用系統(tǒng)的狀態(tài)，從而得到相互作用體系演化的內(nèi)在機(jī)制。 采用平面波展開的轉(zhuǎn)移矩陣方法、時(shí)域有限差分法（ 工具數(shù)值計(jì)算不同納米結(jié)構(gòu)附近的電磁場(chǎng)分布，確定研究體系近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的偏振特性、傳輸方向和強(qiáng)度等，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。 在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，測(cè)量不同周期性結(jié)構(gòu)的金屬材料對(duì)相干光關(guān)聯(lián)度的影響，研究在不同周期性結(jié)構(gòu)的金屬材料中利用 表面等離子激元 效應(yīng) 輔助 相干光 傳送過(guò)程中保持 空間相干性的物理過(guò)程 ,在此基礎(chǔ)上 分析 相干性 在光子和 金屬表面等離 激元之間量子特性保持及 轉(zhuǎn)移 的物理機(jī)制 ,揭示基于表面等離激元特性實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)操縱與控制的新方法 。 在單光子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)方面， 利用電子束曝光方法制備不同周期性金屬微納結(jié)構(gòu)，利用近場(chǎng)掃描顯微鏡探測(cè)不同周期性金屬微納結(jié)構(gòu)在 極弱光 激發(fā)條件下產(chǎn)生的表面等離激元場(chǎng)強(qiáng)分布。 獲得 不同周期性金屬微納結(jié)構(gòu) 的局域化能力和透射增強(qiáng)效果 ，結(jié)合現(xiàn)有的 崩二極管和完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙門復(fù)合電路，最后給出實(shí)現(xiàn)高速高效的單光子探測(cè)器的方案，并演示原理器件。 在對(duì)信號(hào)光的調(diào)控實(shí)驗(yàn)方面，首先制備由金屬和非線性材料組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。用 二氧化硅作為襯底 ,用濺射或熱蒸發(fā)方式在上面鍍金屬薄膜 ,用電子束曝光方法在薄膜上制作納米結(jié)構(gòu)。非線性材料由金屬顆粒和介質(zhì)組成。制備非線性材料將根據(jù)介質(zhì)材料的不同 ,使用不同的方法 ,有多靶旋轉(zhuǎn)式濺射法、離子注入法或貴金屬與聚合物溶液混合 ,通過(guò)甩膠固化等方式制成。 其次采 用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡等表征形貌或內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 采用 后用超短脈沖控制光和信號(hào)光同時(shí)照射復(fù)合結(jié)構(gòu)，用近場(chǎng)掃描顯微鏡、 偏振片等測(cè)量近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的光場(chǎng)性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)控制光對(duì)信號(hào)光的 調(diào)制規(guī)律。并演示一至二個(gè)對(duì)信號(hào)光調(diào)控的原理器件。 在“超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的超快動(dòng)力學(xué)及量子相干控制 研究 ”方面，首先利用 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)或?qū)⒔⒌亩喾N達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的小型化超快激光系列實(shí)驗(yàn)裝置，建立新型超快激光操控與表征凝聚態(tài)物質(zhì)微結(jié)構(gòu)與大分子體系及其超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的超快泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用有限時(shí)域差分算法實(shí)現(xiàn)非旋波近似非慢變包絡(luò)近似下，能用于描述超短脈沖激光與半導(dǎo)體量子阱、周期性結(jié)構(gòu)等具體材料相互作用的嚴(yán)格數(shù)值 計(jì)算軟件 。重點(diǎn)研究微納結(jié)構(gòu)中大分子在 超快激光作用下電子態(tài)重組、原子分子重構(gòu)以及非熱相變等動(dòng)力學(xué)過(guò)程和規(guī)律、半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程、超短脈沖激光誘導(dǎo)的激發(fā)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的功能響應(yīng)原理；通過(guò)膠體化學(xué)、激光分解與退火等方法獲取高品質(zhì)的量子點(diǎn)，用光學(xué)方法建立有效的電子自旋偏振度，通過(guò)時(shí)間分辨克爾或法拉第旋轉(zhuǎn)光譜來(lái)測(cè)量量子點(diǎn)電子自旋的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用脈沖整形系統(tǒng)、單色儀、偏振片等實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖激光的 頻域 、相位、強(qiáng)度及偏振等多參數(shù) 的高精度 的自旋 操控 。利用飛秒激光與量子點(diǎn)強(qiáng)耦合作用產(chǎn)生的交流 應(yīng)或者受激拉曼躍遷現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋量子態(tài)的超 快相干控制。利用搭建的飛秒激光超快光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)改變飛秒激光的各種物理參數(shù)，包括波長(zhǎng)、功率、脈寬、輻照時(shí)間等，詳細(xì)研究飛秒激光作用下納米材料和納米結(jié)構(gòu)的吸收光譜、光致發(fā)光特性、表面拉曼增強(qiáng)效應(yīng)等隨激光各種參數(shù)的變化，分析得到材料高效率發(fā)光和表面拉曼增強(qiáng)的主要影響因素，理論解釋相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；利用飛秒激光直寫及輔助的化學(xué)鍍和化學(xué)腐蝕方法在納米微粒分散物系中，研制新型微光學(xué)、微電學(xué)及微流體多功能集成演示器件。 在“ 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調(diào)控器件 研究 ”方面，理論上采用光與物質(zhì)相互作用的量子光學(xué) 理論，研究超短脈沖激光在周期排列的共振激發(fā)介質(zhì)中的自感應(yīng)透明與間隙孤子等傳輸效應(yīng)，以研究光量子的減速、存儲(chǔ)與受控釋放等緩存功能。 采用 “理論研究 仿真分析設(shè)計(jì) 材料生長(zhǎng)研制 量子調(diào)控器件研究平臺(tái)建立 調(diào)控器件自旋電子、光子特性測(cè)試分析研究 調(diào)控器件性能完善”的技術(shù)路線，進(jìn)行調(diào)控器件特性理論研究、材料設(shè)計(jì)生長(zhǎng)的關(guān)鍵技術(shù)、材料及器件性能測(cè)量等技術(shù)難點(diǎn)研究。設(shè)計(jì)和研制出性能優(yōu)良的調(diào)控器件樣品。具體步驟為：研究基于 多周期量子點(diǎn)層 微納結(jié)構(gòu) 材料 量子調(diào)控器件的瞬態(tài)光學(xué)理論基礎(chǔ)，包括超輻射效應(yīng)下微納結(jié)構(gòu) 材料 能帶結(jié)構(gòu)，非共振條 件下泵浦光激發(fā)的虛激子與光場(chǎng)的耦合，光學(xué)斯塔克效應(yīng)及其對(duì)二維平面周期結(jié)構(gòu) 材料 帶隙的作用；研究 多周期量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu) 量子材料特征頻率和量子材料的能帶關(guān)系；利用傳輸矩陣計(jì)算材料作為光子振蕩器的反射譜；結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論設(shè)計(jì)微納結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)和材料的組分。 利 用 術(shù)，生長(zhǎng) 單層量子點(diǎn)或量子點(diǎn)多層結(jié)構(gòu)，探索控制量子點(diǎn)尺寸、形狀、分布均勻性和密度的生長(zhǎng)工藝。研究控制量子點(diǎn)的表面成核位置和成核的可控生長(zhǎng)技術(shù)，采用圖形化襯底生長(zhǎng)技術(shù)，解決直接用電子束、聚焦離子束帶來(lái)的損傷和雜質(zhì)污 染等問(wèn)題，將圖形化襯底和自組裝生長(zhǎng)技術(shù)相結(jié)合，制備尺寸分布均勻，密度合適，空間有序性好，發(fā)光性能好的 多周期 量子點(diǎn)二維陣列。用電子束曝光法制備網(wǎng)狀 膜 , 在底上利用聚焦離子束技術(shù) (光輔助濕法刻蝕相結(jié)合的方法制成圓形窗口，形成納米尺度圖形化襯底模板，然后再進(jìn)行外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)層材料。還將利用量子點(diǎn)垂直耦合技術(shù)，應(yīng)用多層垂直耦合的應(yīng)變自組裝效應(yīng)，得到空間有序性良好的量子點(diǎn)。采用 原子力顯微鏡 和 投射電子顯微鏡 對(duì)生長(zhǎng)條件與量子點(diǎn)的尺寸、密度、形狀的關(guān)系進(jìn)行研究。用光熒光譜、 熒光 激發(fā)譜、微探針熒光譜、陰極 熒光譜 以及 瞬態(tài)光譜 等技術(shù) 研究量子點(diǎn)激子的發(fā)光性質(zhì)、光吸收性質(zhì)、單量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、量子點(diǎn)發(fā)光的均勻性和載流子的壽命 ， 用電容譜對(duì)量子點(diǎn)的電子態(tài)及電子態(tài)的填充進(jìn)行研究 ， 用 X 射線衍射、拉曼光譜對(duì)量子點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行表征分析并反饋于生長(zhǎng)，為外延生長(zhǎng)技術(shù)的改進(jìn)提供快速信息反饋。 通過(guò)使用平面空間調(diào)制器設(shè)計(jì)合成出立體的空間光場(chǎng)分布，光場(chǎng)合成包括“確定性 ”的合成技術(shù)與閉環(huán)回路的自適應(yīng)控制合成技術(shù)。在合成出特定光場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上通過(guò)在感光材料中記錄所建立的光場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)功能性光 量 子 調(diào)控器件 模板的制備，在可改變的記錄材料中通過(guò)控制激 發(fā)方式優(yōu)化系統(tǒng)的輸出函數(shù)（例如熒光的定向發(fā)射）。為此，將根據(jù)光場(chǎng)分布的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)逆向算法求解空間調(diào)制器的振幅與位相設(shè)置。對(duì)于自適應(yīng)控制的光場(chǎng)合成技術(shù)， 其 控制方法 是 將一束激光通過(guò)空間調(diào)制器 ，實(shí)時(shí)改變其 振幅與位相 分布 。顯微系統(tǒng)和 測(cè)裝置 可 實(shí)時(shí)記錄所產(chǎn)生的光強(qiáng)分布。比較記錄的光強(qiáng)分布與理想目標(biāo)光場(chǎng)，計(jì)算它們之間的偏離值，采用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值控制，優(yōu)化空間調(diào)制器的設(shè)置，獲得一個(gè)新的光場(chǎng)分布，再比較，再循環(huán)，直至 記錄的光場(chǎng)數(shù)值與理想值的偏差在誤差設(shè)定范圍內(nèi)。這樣就可以通過(guò)自適應(yīng)方法自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè) 設(shè)定的光場(chǎng)分布。 通過(guò)后續(xù)樣品處理方案，即可獲得功能性光量子調(diào)控器件。 (二 ) 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處 本項(xiàng)目提出探索 固態(tài)系統(tǒng)中光與物質(zhì)的強(qiáng)相 互作用，克服環(huán)境的退相干影響， 從而 實(shí)現(xiàn)電子態(tài)、光子態(tài)的量子調(diào)控和非線性光學(xué)效應(yīng)。 研究固態(tài)系統(tǒng)中光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用的調(diào)控機(jī)理、非線性光學(xué)效應(yīng)、量子光輻射控制、量子糾纏、量子態(tài)的存儲(chǔ)、量子態(tài)動(dòng)力學(xué)超快探測(cè)和超快激光操控等的新原理、新方法和新技術(shù)。 如前所述，其中存在許多具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題有待我們?nèi)スタ?，?guó)際上在該領(lǐng)域的研究正處在方興未艾的階段， 這為我們?cè)谶@一領(lǐng)域開展原創(chuàng)性研 究提供了巨大的機(jī)遇。本項(xiàng)目在研究上的突破，將會(huì)極大的促進(jìn) 新一代量子調(diào)控器件 及量子光電子器件的誕生，為我國(guó)在未來(lái)國(guó)際量子高新技術(shù)領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地做出重要的貢獻(xiàn)。項(xiàng)目特色和創(chuàng)新之處具體表現(xiàn)在如下四個(gè)方面： （ 1） 提出通過(guò)功能微納電磁介質(zhì)中的缺陷模和界面模實(shí)現(xiàn) 固態(tài) 腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的固態(tài)量子比特系統(tǒng)的新方案，以及利用波導(dǎo) 效、方向性好的單光子輻射的新思路。 （ 2） 基于 表面等離激元 效應(yīng)的量子調(diào)控機(jī)理目前尚不清楚，具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性；提出了基于表面等離激元 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速、高效 單光子探測(cè)的新方案 ，并利用 納米金屬和介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu) 中 非線性光學(xué)增強(qiáng) 效應(yīng) 實(shí)現(xiàn) 低泵浦光對(duì)信號(hào)光的有效調(diào)制 ,有望在納米尺度全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件上取得突破。 （ 3） 利用周期量級(jí)脈沖激光與固態(tài)量子電子系統(tǒng)的強(qiáng)相互作用有望發(fā)現(xiàn) 超快量子相干控制 和量子態(tài) 超快動(dòng)力學(xué) 演化 過(guò)程的新現(xiàn)象和新規(guī)律 ； 立足于具有長(zhǎng)退相干時(shí)間的 并 首次提出利用飛秒整形脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)電子自旋的亞皮秒相干旋轉(zhuǎn)控制。 （ 4） 提出了 通過(guò)使用 多周期量子點(diǎn)層 的耦合量子體系實(shí)現(xiàn) 光量子調(diào)控器件新方案， 該 方案在器件的運(yùn)行效率 和 緩存時(shí)間操控等 方面具 有巨大 的優(yōu)勢(shì)。依據(jù)耦合的量子體系，進(jìn)行光量子的反饋?zhàn)詫W(xué)操控，可以發(fā)展 出 光量子操控的新原理與新技術(shù)。 (三 ) 課題設(shè)置 本項(xiàng)目由中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 、北京郵電大學(xué)共同承擔(dān)。 本 項(xiàng)目的核心科學(xué)問(wèn)題是要在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 光與量子系統(tǒng)的強(qiáng)相 互作用，克服環(huán)境的退相干影響， 從而 實(shí)現(xiàn)電子態(tài)、光子態(tài)的量子調(diào)控和非線性光學(xué)效應(yīng)。 有 三 條 途徑 可在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)強(qiáng)相 互作用 及其固態(tài) 量子調(diào)控 （ i）通過(guò) 具有 強(qiáng) 非均勻 性 電磁 場(chǎng)分布的功能 微納 結(jié)構(gòu)，如能產(chǎn)生光子局域模 的層狀平面光學(xué)微腔結(jié)構(gòu) 和 能形成 界面模的 特異材料（ 微納結(jié)構(gòu) ； （ 通過(guò) 金屬納米結(jié)構(gòu)及其介電材料復(fù)合結(jié)構(gòu)中的表面等離激元效應(yīng)，這種系統(tǒng)中有非常強(qiáng)的局域增強(qiáng)效應(yīng)； （ 過(guò)超短脈沖激光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用。超短激光不僅可產(chǎn)生強(qiáng)耦合相互作用，同時(shí)還是量子態(tài)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的一種強(qiáng)有力的表征手段 。 上述三個(gè)方面的研究都將 涉及 固態(tài)量子調(diào)控研究中非常重要的一個(gè)共性問(wèn)題：即光量子的操控。 基于上述的三種相互作用途徑和一個(gè)共性問(wèn)題，本項(xiàng)目 設(shè)立相應(yīng)的四個(gè)課題 組： 課題 1: 固態(tài)功能微納電磁介質(zhì)中 光子 量子 調(diào)控 研究； 課 題 2: 基于表面等離激元 效應(yīng) 的 光子 量子 調(diào)控 研究； 課題 3: 超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的超快動(dòng)力學(xué)及量子相干控制研究； 課題 4: 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調(diào)控器件 研究 課題 1側(cè)重于研究功能微納電磁介質(zhì)中光 子 與量子 電子 系統(tǒng)的相互作用基本原理、量子糾纏、量子光輻射控制和量子光電子器件性能的研究；課題 2側(cè)重于研究 金屬納米結(jié)構(gòu)及其介電材料復(fù)合結(jié)構(gòu)中的 量子光學(xué)與非線性光學(xué)效應(yīng)；課題3側(cè)重于研究功能微納結(jié)構(gòu)中超快激光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用機(jī)理，超快量子態(tài)操控和超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)；課題 4側(cè)重于 利用量子光學(xué) 原理開展光子 緩存和相關(guān)功能性光量子調(diào)控器件的研究 。 這四個(gè)子課題既有相互聯(lián)系和支撐，又各有不同的研究重點(diǎn)。 課題 1： 固態(tài)功能微納電磁介質(zhì)中光子 課題承擔(dān)單位：中山大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 王雪華 教授（中山大學(xué)） 主要學(xué)術(shù)骨干：金崇君 教授（中山大學(xué)） 佘衛(wèi)龍 教授（中山大學(xué)） 賴天樹 教授（中山大學(xué)） 張佰君 教授（中山大學(xué)） 汪河洲 教授（中山大學(xué)） A、 研究目標(biāo) （ 1）發(fā)展位置依賴的耦合相互作用理論研究層狀微納結(jié)構(gòu)中的量子光輻射特性， 開發(fā)出能準(zhǔn)確模擬層狀微納結(jié)構(gòu)中光子與量子電子系統(tǒng)相互作用強(qiáng)度及輻射光強(qiáng)分布的數(shù)值軟件平臺(tái)。 （ 2）利用 缺陷態(tài)、表面態(tài)及界面態(tài)設(shè)計(jì)并制備出具有高品質(zhì)因子、超小模體積的單個(gè)平面固態(tài)微腔及藕合多微腔結(jié)構(gòu)，獲得 準(zhǔn)確 調(diào)諧量子 電子 系統(tǒng)與局域光子模 在空間上和能譜上 同時(shí) 產(chǎn)生共振強(qiáng)耦合作用 的 實(shí)驗(yàn) 方法和控制手段。 （ 3） 理解 量子 電子 系統(tǒng)與局域光子模 在強(qiáng)藕合條件下 的電子與光子 量子相干態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制 ，探索基于含量子點(diǎn)的藕合多微腔結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展量子比特糾纏新方案 ，利用波導(dǎo) 效、方向性好的單光子輻射。 （ 4） 研究和發(fā)展 高精確度、低成本 、能大批量制備 層狀微納結(jié)構(gòu) 材料與器件的納米制備工藝與技術(shù) 。 開發(fā)出新型的探測(cè)和表征 層狀 微納結(jié)構(gòu)及其器件光電特性的測(cè)試技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)。 發(fā)表論文： 文 45 篇 申請(qǐng)專利：發(fā)明專利 8 項(xiàng) 人才培養(yǎng)：培養(yǎng)國(guó)家杰出青年基金獲得者 1 名，研究生 30 名，優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者（或優(yōu)博提名） 1 名，博士后 1。 B、研究?jī)?nèi)容 (1) 層狀 微納結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)是具有高度的非均勻性和很強(qiáng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的 功能電磁介質(zhì) ，因此，我們首先從理論上研究 層狀 微納結(jié)構(gòu)中光子局域態(tài)密度的空間分布，發(fā)現(xiàn)和尋找最佳的光子與量子電子系統(tǒng)藕合相互作用位置及能級(jí)位置，開發(fā)用于提高量子光電子器件性能的微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和模擬軟件 ，為 層狀 微納結(jié)構(gòu)中的量子光輻射控制、新型量子光電子器件的制備奠定基礎(chǔ)。 (2) 在 層狀微納 周期、準(zhǔn)周期和特異介質(zhì)（ 中利用缺陷態(tài)、界面態(tài)及表面態(tài)原理設(shè)計(jì)并制備具有高品質(zhì)因子、超小模體積的固態(tài)光學(xué)微腔，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)腔模電磁場(chǎng)空間分布的影響。研究量子點(diǎn)的固態(tài)腔量子電動(dòng)力學(xué)行為，以及基于平面耦合多 微腔結(jié)構(gòu)的量子糾纏新方案。探索快速、高效、方向性好的單光子輻射最佳條件，為制備觸發(fā)式、可控單光子發(fā)射器奠定基礎(chǔ)。 (3) 研究和發(fā)展層狀微納結(jié)構(gòu)新的制備方法和技術(shù)。主要探索制備具有超高品質(zhì)因子和超小 模 體積固態(tài) 微腔 的納米制備工藝技術(shù)， 以及將單量子點(diǎn)固定在微腔中的納米操控工藝方法；研究利用膠體自組裝法和光學(xué)全息法以及飛秒激光雙光子直寫制備高效而簡(jiǎn)易的納米表面結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù) 。 (4) 發(fā)展用于微納結(jié)構(gòu)光電子器件的新型測(cè)試和表征系統(tǒng)。由于微納結(jié)構(gòu)材料和器件的維度通常在微米量級(jí)或更小，光電相互作用的探測(cè)技術(shù)主要是基 于顯微鏡（光學(xué)顯微鏡，近場(chǎng)掃描顯微鏡、原子力顯微鏡等）的各種測(cè)試系統(tǒng)，由于存在定位、激光輸入耦合和輸出信號(hào)的探測(cè)等問(wèn)題，本課題將致力于發(fā)展相應(yīng)微納結(jié)構(gòu)材料和器件的測(cè)試系統(tǒng)，比如量子糾纏態(tài)的探測(cè)等。 C、課題經(jīng)費(fèi)： 占項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)的 33%（其中含項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)的 5%為首席?？刭M(fèi)）。 課題 2： 基于表面等離激元效應(yīng)的光子 課題承擔(dān)單位：北京郵電大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 肖井華 教授 （北京郵電大學(xué)） 主要學(xué)術(shù)骨干：于 麗 教授 （北京郵電大學(xué)） 張 茹 教 授 （北京郵電大學(xué)） 郎佩 琳 副 教授（北京郵電大學(xué)） 符秀麗 副教授（北京郵電大學(xué)） A、 研究目標(biāo) （ 1） 探索基于 表面等離激元 效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)光 子 與量子 電子 系統(tǒng)相互作用的新原理和新方法， 研究有效操控量子態(tài) 的 手段 , 發(fā)現(xiàn)金屬 納米結(jié)構(gòu)中與表面等離激元相關(guān)的量子光學(xué) 新現(xiàn)象，如遠(yuǎn)距量子糾纏態(tài)的實(shí)現(xiàn)和控制 。 （ 2） 弄清基于 金屬 微納結(jié)構(gòu) 表面等離 激元效應(yīng)的量子相干性保持 轉(zhuǎn)移 的物理機(jī)制 ， 研制基于表面等離激元效應(yīng)的 高速 高效單光子探測(cè)器，展示 一至二種 金屬 微納結(jié)構(gòu)表面等離激元 效應(yīng) 在 量子信息 處理及其光電子器件上的應(yīng)用。 （ 3） 利用 基于表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)特性誘導(dǎo) 的非線性光學(xué)效應(yīng) 機(jī)理， 實(shí)現(xiàn)介質(zhì)非線性光學(xué)效應(yīng)的增強(qiáng) ， 發(fā)現(xiàn) 控制光對(duì)信號(hào)光的調(diào)制規(guī)律 ， 演示一至二個(gè)對(duì)信號(hào)光調(diào)控的原理器件 。 （ 4） 發(fā)展出能精確制備亞波長(zhǎng)尺度金屬表面微納結(jié)構(gòu)，以及介質(zhì) 藝和技術(shù)。制備出功能性表面等離激元微腔、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光輻射的收縮成束效應(yīng)、高方向性和高極化特性。 發(fā)表論文： 文 35 篇 申請(qǐng)專利：發(fā)明專利 8 項(xiàng) 人才培養(yǎng)：研究生 30 名，博士后 1。 B、研究?jī)?nèi)容 (1) 發(fā)展 基于 金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離激元 效應(yīng)的光子與量子電子系統(tǒng) 相互作用的 量子理論 ,分析基于 金屬表面等離 激元效應(yīng)輔助傳輸?shù)牧孔酉喔尚员３旨稗D(zhuǎn)移 的物理機(jī)制 ， 研究基于 表面等離 激元特性的量子態(tài)操 控方法和 手段，發(fā)展 亞波長(zhǎng)金屬光學(xué)器件 處理 量子信息的 新方案。 (2) 揭示不同 金屬納米 結(jié)構(gòu) 中 表面等離激元的電磁場(chǎng)分布規(guī)律，發(fā)展調(diào)控光子激發(fā)表面等離激元特性的手段， 進(jìn)而找到 基于表面等離激元效應(yīng)提高單光子探測(cè)效率的新方案，給出功能性設(shè)計(jì)，演示基于表面等離激元效應(yīng)的快速、高效單光子探測(cè)原理器件。 (3) 研究 表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)誘導(dǎo)的非線性光學(xué) 效應(yīng) 機(jī)理 , 分析非線性介質(zhì)材料組成和結(jié)構(gòu)分布對(duì)非線性系數(shù)的影響 , 發(fā)現(xiàn)有效增強(qiáng)非線性特性的方法和手段。探索納米結(jié)構(gòu)金屬和非線性材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在控制光場(chǎng)和信號(hào)光場(chǎng)同時(shí)作用下，光場(chǎng)的性能參數(shù)對(duì)表面等離激元特性的影響 , 揭示控制光場(chǎng)對(duì)信號(hào)光場(chǎng)的調(diào)控規(guī)律， 探尋 基于表面等離激元 特性 的 亞波長(zhǎng)光信息處理新方法。 (4) 發(fā)展各種能精確制備亞波長(zhǎng)尺度金屬表面微納結(jié)構(gòu)，以及納米尺度介質(zhì)藝和技術(shù)。用各種物理的、化學(xué)的方法，如離子束曝光、化學(xué)腐蝕、催化劑生長(zhǎng)等，精確地控制和構(gòu)造金屬薄膜表面上的一維和二維調(diào)制結(jié)構(gòu)，及金屬納米粒子的形狀和尺寸，制備功能性表面等離激元微腔、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究 其 中光輻射的收縮成束效應(yīng)、高方向性和高極化特性。 C、課題經(jīng)費(fèi)： 占項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)的 20% 課題 3： 超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的超快動(dòng)力學(xué)及量子相干控制 研究 課題承擔(dān)單位： 中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 課題負(fù)責(zé)人： 劉建勝 研究員 （ 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 ） 主要學(xué)術(shù)骨干： 張敬濤 研究員（ 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 ） 曾志男 研究員 （中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所） 楊瑋楓 副研究員 （ 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 ） 孫海軼 副研究員 （ 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 ） A、 研究目標(biāo) （ 1）建立并發(fā)展能夠用于描述周期量級(jí)超短脈沖激光與半導(dǎo)體量子阱、體材料和周期性微納結(jié)構(gòu)等介質(zhì)相互作用的嚴(yán)格數(shù)值計(jì)算方法，揭示超短脈沖激光量子相干控制及 固態(tài)系統(tǒng)中超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的新現(xiàn)象和新機(jī)制。 （ 2） 獲知以 子點(diǎn)為主的電子自旋體系的弛豫以及退相干時(shí)間，利用飛秒整形脈沖，實(shí)現(xiàn)頻域、相位、強(qiáng)度及偏振等多參數(shù)相干控制量子點(diǎn)自旋態(tài)，獲得亞皮秒的自旋超快相干旋轉(zhuǎn)控制。 （ 3） 在 操控微納結(jié)構(gòu)中大分子體系及其半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)中載流子超快動(dòng)力學(xué)行為、 超快瞬態(tài)相干效應(yīng) 等交叉學(xué)科領(lǐng)域取得若干重大創(chuàng)新成果， 并 建立超高時(shí)間分辨和超高靈敏的新型探測(cè)技術(shù)等。 （ 4） 實(shí)現(xiàn)飛秒激光激發(fā)下新型納米材料與納米結(jié)構(gòu)的光電性能，揭示其中的關(guān)鍵影響因素和物理機(jī)制； 利用飛秒激光微加工技術(shù)及輔助 方法在納米分散物系中制備新型的多功能集成演示器件。 發(fā)表論文： 文 40 篇 申請(qǐng)專利：發(fā)明專利 6 項(xiàng) 人才培養(yǎng)：研究生 20 名，博士后 2 B、研究?jī)?nèi)容 (1) 建立并發(fā)展非慢變振幅近似和非旋波近似條件下，能夠用于描述周期量級(jí)超短脈沖激光與半導(dǎo)體量子阱、體材料和周期性微納結(jié)構(gòu)等介質(zhì)相互作用的嚴(yán)格數(shù)值計(jì)算方法，探討超短脈沖激光量子相干控制載波 蕩、非線性激光光譜、孤子脈沖產(chǎn)生等瞬態(tài)相干效應(yīng)，研究強(qiáng)耦合條件下超短脈沖激光控制固態(tài)系統(tǒng)中超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的新現(xiàn)象和新機(jī)制。 (2) 探索以 主的量子點(diǎn)電子自旋動(dòng)力學(xué)及其超快相干調(diào)控，一方面通過(guò)外場(chǎng)調(diào)控以及材料的選擇獲得盡可能長(zhǎng)的自旋弛豫以及退相干時(shí)間，另一方面開拓研究 飛秒整形脈沖的 頻域 、相位、強(qiáng)度及偏振等多參數(shù) 的高精度光場(chǎng)操控 手段，研究飛秒脈沖與自旋 量子體系的相互作用 ， 探索量子點(diǎn)自旋相干態(tài)的超快旋轉(zhuǎn)操作的 新原理、新 方法 。從而在原理上進(jìn)行 新一代以自旋為信息載體的低功耗、高速度、高集成度量子器件 的可行性探索 。 (3) 發(fā)展 超高時(shí)間分辨和超高靈敏的新型探測(cè)技術(shù)， 研究 半導(dǎo)體 微納結(jié)構(gòu)中 載流子的 激發(fā) 、 弛 豫及 超快激光操控 過(guò)程。 探索在微納結(jié)構(gòu)中大分子及凝聚態(tài)物質(zhì)在超快激光作用下電子態(tài)重組、原子分子重構(gòu)和非熱相變等的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和規(guī)律。 (4) 研究飛秒激光作用下微納結(jié)構(gòu)的光電性能，包括基于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的吸收光譜、光致發(fā)光特性、納米顆粒的表面拉曼增強(qiáng)效應(yīng)等，并揭示實(shí)驗(yàn)中所涉及的新現(xiàn)象和新規(guī)律；進(jìn)一步將納米顆粒填充到微納結(jié)構(gòu)中形成分散物系，研制新型的微電子學(xué)、微光學(xué)及微流體多功能集成器件，為制備新一代納米量子器件奠定基礎(chǔ)。 C、課題經(jīng)費(fèi)： 占總課題經(jīng)費(fèi)的 20% 課題 4： 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調(diào)控器件 研究 課題承擔(dān)單位：華中科技大學(xué)、中山大學(xué) 課題 負(fù)責(zé)人： 陳長(zhǎng)清 教授（華中科技大學(xué)） 主要學(xué)術(shù)骨干：周建英 教授 （中山大學(xué)） 王濤 教授 （華中科技大學(xué)） 蔡志崗教授 (中山大學(xué) ) 吳志浩 副教授（華中科技大學(xué)） 楊光 副教授（華中科技大學(xué)） A、 研究目標(biāo) （ 1） 利用周期排列的 量子點(diǎn)層 共振介質(zhì)中的量子光學(xué)效應(yīng)獲得光子緩存的新原理與新技術(shù)；研究超短激光脈沖在共振激發(fā)的微納結(jié)構(gòu)中的自感應(yīng)透明，拉比翻轉(zhuǎn)以及間隙孤子效應(yīng)所導(dǎo)致的光子減速、存儲(chǔ)、釋放等光子緩存功能；演示工作 在 近紅外波段，調(diào)控時(shí)間 s 量級(jí)的光量子調(diào)控 物理原 型 器件 。 （ 2） 利用 現(xiàn)多周期量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu)的精確控制生長(zhǎng) ，獲得尺寸、形狀、密度、應(yīng)變以及周期性均勻的量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu)。 獲知 量子點(diǎn)中間帶 極化激元模 共振帶隙的瞬態(tài)變化特性， 建立 動(dòng)態(tài)理論模型 ，并發(fā)展出實(shí)驗(yàn)控制方法 。 （ 3） 建立基于逆向 設(shè)計(jì)與逆向 算法，并利用平面空間調(diào)制器獲取微納尺度的 平面與立體 光場(chǎng)分布的數(shù) 字 設(shè)計(jì)方法，提供通用的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件 ， 建立 能自動(dòng)優(yōu)化功能性微納 光電子器件設(shè)計(jì)與制作 的工程實(shí)驗(yàn)裝置； （ 4） 發(fā)展基于 自適應(yīng)設(shè)計(jì)與 全息 光刻 的 功能性 模板 制備新技術(shù) 與后續(xù)加工技術(shù) ， 一次性 制備出有重要應(yīng)用價(jià)值的 功能性光 量 子 調(diào)控 器件，如光子晶體波導(dǎo) 、光子晶體微腔 及其復(fù)合結(jié)構(gòu) 等。 發(fā)表論文： 文 40 篇 申請(qǐng)專利： 發(fā)明專利 10 項(xiàng) 人才培養(yǎng)： 研究生 30 名，博士后 2 。 B、 研究?jī)?nèi)容 (1) 研究 多周期量子點(diǎn)層微納結(jié)構(gòu) 中光場(chǎng)與共振激發(fā)介質(zhì)的相干耦合，研究固態(tài)超快量子光學(xué)效應(yīng)（如固態(tài)自感應(yīng)透明過(guò)程與拉比翻轉(zhuǎn)）所導(dǎo)致的 光子 緩存機(jī)制； 研究 多周期量子點(diǎn)層微納結(jié)構(gòu) 中 的激子受微納結(jié)構(gòu)調(diào)制所導(dǎo)致的超輻射效應(yīng)，層間激子的光學(xué)耦合及其相干性，激子的相干輻射復(fù)合與激子退相干弛豫的關(guān)系，研究這些參數(shù)的瞬態(tài)變化特性以及共振非線性光 學(xué)效應(yīng)。 (2) 探索原子尺度水平上薄膜生長(zhǎng)中各種原子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在原子尺度上揭示薄膜生長(zhǎng)和原子團(tuán)簇形成的各種微觀機(jī)制。通過(guò)原子速率方程所表示的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程與系統(tǒng)趨向于低自由能位形的熱力學(xué)過(guò)程來(lái)研究和確定系統(tǒng)的生長(zhǎng)模式， 控制 量子點(diǎn)的尺寸和密度分布 。 從生長(zhǎng)溫度、 /流量比、生長(zhǎng)停頓、生長(zhǎng)速率等多方面 探索 多周期量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化生長(zhǎng)工藝條件， 實(shí)現(xiàn)平面和垂直方向上 均勻 有序的 多周期 量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu) 的生長(zhǎng) 。 (3) 利 用逆向變換計(jì)算方法，如遺傳、退火等算法為基本手段，發(fā)展基于光場(chǎng)的平面調(diào)制獲取立體光學(xué)圖案的設(shè)計(jì)新 方 案；發(fā)展建立目標(biāo)光場(chǎng)分布函數(shù)的空間光調(diào)制器優(yōu)化設(shè)置的自適應(yīng)算法 ,合成尺度在亞微米量級(jí)的、平面或立體的光場(chǎng)分布圖案；發(fā)展一步法制備技術(shù) ， 在光敏介質(zhì)中記錄所產(chǎn)生的光強(qiáng)分布，精確制備出有重要應(yīng)用價(jià)值的功能性光 量 子 調(diào)控 器件，如光子晶體波導(dǎo)，光子晶體微腔 等光子器件。 (4) 基于 數(shù)字電路控制的空間調(diào)制器技術(shù)，建立計(jì)算機(jī)控制的反饋回路控制系統(tǒng)，發(fā)展 可 根據(jù)光強(qiáng)分布的目標(biāo)函數(shù)自動(dòng)產(chǎn)生特定目標(biāo)光場(chǎng)的自適應(yīng)技術(shù)，并建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用相位控制的多光束干涉的圖案變化，作用于液晶、光折變晶體以及激光增益介質(zhì)，產(chǎn)生相應(yīng)的微納尺 度分布圖案，并產(chǎn)生相應(yīng) 的信號(hào)輸出， 并 優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)的輸出函數(shù)。 C、課題經(jīng)費(fèi)： 占總課題經(jīng)費(fèi)的 27% 四、年度計(jì)劃 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 研究 微結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系 和 態(tài)密度 對(duì) 物質(zhì)的自發(fā)輻射躍遷和受激輻射躍遷等 影響，比如具有 表面等離激元 或強(qiáng)局域微腔等結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)的量子性能的影響。 研究核自旋的量子態(tài)保持和傳輸。 利用 計(jì)高 Q 值的微腔，設(shè)計(jì)具有 強(qiáng)三階非線性效應(yīng)的金屬微納結(jié)構(gòu)復(fù)合體 。設(shè)計(jì) 在 近紅外區(qū) 內(nèi)任意特定中心波長(zhǎng)透射譜增強(qiáng)的周期性微納結(jié)構(gòu)金屬，獲得的金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)將指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，用于單光子探測(cè) 。 利用逆向變換算法合成復(fù)雜二維和三維空間光學(xué)圖案的理論，并開展基于數(shù)字電路控制的空間調(diào)制器和計(jì)算機(jī)反饋控制技術(shù)的自適應(yīng)光場(chǎng)合成系統(tǒng)的研究。 發(fā)展倍頻 參量下轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)效應(yīng)統(tǒng)一耦合波理論。 研究多周期量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu)量子材料特征頻率和量子材料的能帶關(guān)系；研究多周期半導(dǎo)體量子點(diǎn)層結(jié)構(gòu)的量子相干光學(xué)調(diào)控的微觀機(jī)制。 優(yōu)化制備工藝，制備出高 Q 值的微腔，探索量子點(diǎn)的精確定位方法。研究建立觀察量子點(diǎn)和微腔相互作用的低溫微區(qū)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。 研究超短激光脈沖與不同介質(zhì)的共振強(qiáng)相互作用。建立與改進(jìn)飛秒激光超快探測(cè)及微制備相 關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)試手段 。 完善建立時(shí)間分辨 轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 研究 a)a) 單層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的自組裝生長(zhǎng)工藝，確定系統(tǒng)的生長(zhǎng)模式，控制量子點(diǎn)的尺寸和密度分布。 在理論上，初步建立量子點(diǎn)的輻射特性和微腔相互作用的位置依賴關(guān)系理論，并設(shè)計(jì)出具有高 Q 值的微腔， 發(fā)展倍頻 參量下轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)效應(yīng)統(tǒng)一耦合波理論。 發(fā)展和建立與表面等離激元特性相關(guān)的量子模型；通過(guò)對(duì)核磁共振模擬，得到對(duì)于核自旋態(tài)調(diào)控的方法；揭示 表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)特性誘導(dǎo)的 非線性光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)機(jī)理； 初步完成光場(chǎng)逆向合成理論并編計(jì)算軟件，為下一步的實(shí)驗(yàn)工作提供理論指導(dǎo)。 實(shí)驗(yàn)上初步制備出微腔結(jié)構(gòu)，同時(shí)建立微腔的測(cè)試系統(tǒng)以及低溫微區(qū)測(cè)試系統(tǒng)。 對(duì)超短激光脈沖作用下的各種非線性光學(xué)效應(yīng)形成初步的認(rèn)識(shí)； 實(shí)現(xiàn)溫度 3 可調(diào)、磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)、激光偏振狀態(tài)以及強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)條件，獲得量子點(diǎn)體系初步的 轉(zhuǎn)信號(hào)。 揭示原子尺度水平上薄膜生長(zhǎng)和原子團(tuán)簇形成中的各種原子動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其內(nèi)在微觀機(jī)制，掌握控制單層量子點(diǎn)的尺寸、密度、形貌、應(yīng)變的可控外延生長(zhǎng)技術(shù)。 獲得量 子點(diǎn)層微納結(jié)構(gòu)材料的能帶結(jié)構(gòu)、光子振蕩器的反射譜與極化激元模的衰減情況等 ; 建成超短脈沖激光測(cè)試系統(tǒng)，為研究半導(dǎo)體量子點(diǎn)等低維結(jié)構(gòu)與超短脈沖激光作用提供實(shí)驗(yàn)條件。 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 通過(guò) 全量子化或半量子化過(guò)程，研究量子點(diǎn)在奇異的空間色散關(guān)系中的輻射特性。 研究與表面等離激元特性相關(guān)的量子理論 。 探索 能實(shí)現(xiàn)高效電光 參量下轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)效應(yīng)的最佳光學(xué)超晶格微結(jié)構(gòu)和它的實(shí)驗(yàn) 制備 條件 。 逐步建立和發(fā)展超短激光脈沖與介質(zhì)相互作用理論模型 。 用 計(jì)算 基于 表面等離 激元特性的非線性效應(yīng)對(duì)信號(hào)光的影響，獲得有效調(diào)控 信號(hào)光的方法和手段； 設(shè)計(jì) 出將 微腔和量子點(diǎn)結(jié)合的光子晶體結(jié)構(gòu) 。 研究 精確調(diào)制 微腔特性的方法 。探索 精確制備亞波長(zhǎng)尺度微納結(jié)構(gòu)的新 工藝和技術(shù)。用離子束曝光、化學(xué)腐蝕、催化劑生長(zhǎng) 、自組裝 等 方法 ，精確地控制和構(gòu)造金屬薄膜表面上的 納微 結(jié)構(gòu)。以單光子探測(cè)器的芯片為基底，利用微納米加工技術(shù)制作具有周期性微納結(jié)構(gòu)的金屬薄膜 。 研究 半導(dǎo)體 微納結(jié)構(gòu)中 載流子的 激發(fā) 、弛豫及 超快激光操控 過(guò)程。研究電子自旋的退相干動(dòng)力學(xué)，測(cè)量其退相干時(shí)間及其影響因素。 研究 量子點(diǎn)表面成核的可控生長(zhǎng)技術(shù)，結(jié)合圖形化襯底和自組裝技術(shù)，制備分布均勻，密度合適 ，有序性 和 發(fā)光性能好的量子點(diǎn)二維陣列。 研究多周期量子點(diǎn)層中的激子受微納結(jié)構(gòu)調(diào)制所導(dǎo)致的