闪烁体与光子人工微结构

在核医学成像、高能物理实验和核武器研究的推动下,人们对辐射探测系统中的闪烁体提出了越来越高的要求。把传统闪烁体与先进微纳光子学技术相结合,利用光子人工微结构对电磁波的调控作用,为实现闪烁体更高的性能提供新方法和新途径。文章介绍了近期国内外利用光子人工微结构提高闪烁体性能的研究进展,也对一些可能采用的方法进行了展望与分析,该研究目前处于起步阶段,然而初步研究结果已经显示出了诱人的发展前景。     

闪烁体与光子人工微结构

在核医学成像、高能物理实验和核武器研究的推动下,人们对辐射探测系统中的闪烁体提出了越来越高的要求。把传统闪烁体与先进微纳光子学技术相结合,利用光子人工微结构对电磁波的调控作用,为实现闪烁体更高的性能提供新方法和新途径。文章介绍了近期国内外利用光子人工微结构提高闪烁体性能的研究进展,也对一些可能采用的方法进行了展望与分析,该研究目前处于起步阶段,然而初步研究结果已经显示出了诱人的发展前景。     

浅说人工微结构材料与光和声的调控研究

在过去的三十年里,人们在对光的调控方面进行着不懈的努力,取得了卓有成效的研究进展,其中突出的进展表现在诸如光子晶体的发展、等离激元学与亚波长光学的发展以及超构材料的发展等,文章简要探讨了当前超构材料和人工带隙材料等研究的几种发展趋势,展示了利用人工微结构材料实现对光和声的调控的美好前景.     

单负材料组成光子晶体的多量子阱结构

通过传输矩阵法,对负介电常数材料和负磁导率材料组成一维光子晶体的多量子阱结构的共振隧穿特性进行了研究。结果表明,该结构中存在不受入射角和偏振模式影响的全方向共振隧穿模,其数量可以通过调节结构周期数来实现。共振峰的品质因子可以由外部障碍光子晶体的厚度比例调整。在研究单负材料损耗时,发现电损耗对低频处共振模影响大,而磁损耗对高频和低频处都有较大影响。     

单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的共振模

通过传输矩阵方法, 计算模拟了两种单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的透射谱. 研究发现: 由于双量子阱结构双阱之间的相互耦合作用, 共振模发生双重劈裂, 共振峰之间的距离可以通过调节双阱之间的耦合强度控制, 共振模的品质因子可以通过调节外部障碍光子晶体的周期数控制. 并且, 共振模受入射角和光偏振模式的影响都比较小, 适合全方向滤波. 当考虑两种单负材料不同损耗的影响时, 研究结果表明, 电损耗对低频处的共振模影响大, 而磁损耗对高频和低频处的共振模影响都比较大.     

光子带隙材料及亚波长微结构材料中等离子体共振导致的量子相干效应

我们对两类光学材料-光子晶体及左手材料中的量子相干效应进行了理论研究。光子带隙材料通常是指人工制作的具有光子通带和禁带的光学材料，它可以用来控制光场的传输及某些微观过程。光子晶体是典型的光子带隙材料，光子晶体的周期性结构导致其中的原子的量子光学性质与自由空间中明显不同，例如出现光局域化与原子自发辐射的抑制、光子-原子束缚态、二能级原子布居数囚禁等现象。最近的研究还表明心，特殊的态密度分布会导致感应透明现象，使得原子对与其共振的探测光场的吸收趋于零。这与电磁感应透明（EIT）类似，但不需要外加耦合场来建立相干。我们系统地研究了光子晶体特殊态密度产生的量子相干效应，包括三能级系统的感应透明、无反转增益、光速减慢等，及四能级系统的自发辐射和光开关效应，发现强的量子相干效应导致原子辐射与吸收性质产生多方面的改变。     

光子晶体制备技术和应用研究进展

从光子晶体概念的提出到现在已经过了20余年,光子晶体不仅成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域,而且在信息光学以及其他多个学科中得到广泛应用.本文重点综述了光子晶体的制备工艺,尤其是二维光子晶体和三维光子晶体的制备工艺进展,同时也综述了光子晶体的应用研究的进展,在此基础上,提出了一些光子晶体研究的展望.     

新型人工微结构电磁材料中损耗的利与弊

本文主要介绍了新型人工微结构材料中损耗对材料性能的影响.随着生产工艺和制备技术的提升, 使 新型人工微结构电磁材料获得了特殊的研究地位和研究价值. 通常人工微结构材料的制备原材料都是取自于金属 材料, 而对于金属材料, 损耗是不可避免的.那么损耗对微结构材料性能的影响成为人们关注的热点.通过研究材 料电磁损耗的物理机制得出损耗虽然对电磁材料的应用带来负面效应, 但是在特殊材料结构中损耗反而是有益的. 将分析过程及结果渗透到本科物理学专业《 电动力学》的实践课中, 不仅拓宽了学生的知识面, 而且提升了学生的 创新能力     

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.     

基于光子晶体光纤的高纯度量子关联光子对的制备

使用脉冲光在室温下抽运一根长1 m 的高非线性光子晶体光纤, 产生了中心波长分别位于830 nm 和1411 nm的具有量子关联性的闲频与信号光子. 实验中闲频和信号通道的带宽分别是15 nm和35 nm. 对单通道光子计数率的拟合结果显示光子几乎全部来源于光纤中的自发四波混频过程, 未受到Raman散射噪声的影响. 当闲频和信号通道的光子产生率约为每脉冲0.0085个时, 测得符合计数率与随机符合计数率的比值为102, 接近理论极限, 不仅证明了光子对的低噪声性, 而且表明所产生的光子对本身具有窄带频谱特性, 因而实验中对其收集效率很高. 此外, 这种高纯度关联光子对还联接了不同波段, 在量子信息技术中有着潜在的应用.     

Quantum‐optical analogies using photonic structures

Engineered photonic waveguides have provided in the past decade an extremely rich laboratory tool to visualize with optical waves the classic analogues of a wide variety of coherent quantum phenomena encountered in atomic, molecular or condensed‐matter physics. As compared to quantum systems, optics offers the rather unique advantage of a direct mapping of the wave function evolution in coordinate space by simple fluorescence imaging or scanning tunneling optical microscopy techniques. In this contribution recent theoretical and experimental advances in the field of quantum‐optical analogies are reviewed. Special attention is devoted to some relevant optical analogies based on the use of curved photonic structures, including: coherent destruction of tunneling in driven bistable potentials; coherent population transfer and adiabatic passage in laser‐driven multilevel atomic systems; quantum decay control and Zeno dynamics; electronic Bloch oscillations and Zener tunneling, Anderson localization and dynamic localization in crystalline potentials.     

含特异材料的光量子阱频率特性研究

基于传输线加载集总元件的方法制备光量子阱. 对阱内物质为光子晶体和左手材料两种情况下的传输特性进行比对. 结果表明局域模个数与阱内物质的周期数相同; 左手材料情况下光量子阱具有尺度小、 便于调节的优点.实验结果与理论结果相符合.     

二维正方格子磁性光子晶体的带隙结构

采用平面波展开的方法计算了正方格子二维磁性光子晶体(MPC)的光子带隙结构.散射子的形状分别为：长方形，正方形，六角形和圆形.通过调节磁导率，填充率和散射子的旋转角度，找到了MPC各种结构的最大的绝对带隙宽高比ω_R.研究发现：随着磁导率的增加，MPC绝对带隙中心频率ω_g单调减小，绝对带隙宽度Δω和其宽高比ω_R可能不同时达到最大值.而随着填充率或者散射子旋转角的增加，基本不改变ω_g的大小，各种结构的Δω和ω_R同时达到最大值. 关键词： 磁性光子晶体 光子带隙结构     

含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究

利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究. 关键词： 超导光子晶体 传输矩阵法 特异材料 光子带隙     

Non-Bragg band gaps and light manipulation of composite structures with metamaterials

A review is presented of various composite structures containing double-negative metamaterials or two types of single-negative metamaterials. In particular, non-Bragg band gaps arising from phase-compensation or tunneling effects and their manipulation of light are stressed. The non-Bragg band gaps that are robust against incident directions, thickness randomness and are easily tuned by changing the structural parameters can not only expand our ability in controlling the flow of light, but also provide new mechanisms for the design of photonic devices.     

Wave-vector diagrams for two-dimensional photonic crystals

Photonic crystals exhibit band gaps, meaning that electromagnetic fields cannot propagate in them for specific ranges of wavelengths and directions. The calculation of band structure diagrams has been intensively studied and is now well understood. In contrast to that, so-called wave-vector diagrams (i.e. dispersion surfaces, depicting the loci of all relevant wave vectors at a fixed wavelength) are less known and used. In principle, they show how the effective index of the structure depends on the direction of propagation. A method to calculate explicitly wave-vector diagrams for two-dimensional photonic crystals is derived which leads finally to quadratic eigenvalue problems. Results for square and triangular lattices are presented and some applications are discussed.     

Wave-vector diagrams for two-dimensional photonic crystals

Photonic crystals exhibit band gaps, meaning that electromagnetic fields cannot propagate in them for specific ranges of wavelengths and directions. The calculation of band structure diagrams has been intensively studied and is now well understood. In contrast to that, so-called wave-vector diagrams (i.e. dispersion surfaces, depicting the loci of all relevant wave vectors at a fixed wavelength) are less known and used. In principle, they show how the effective index of the structure depends on the direction of propagation. A method to calculate explicitly wave-vector diagrams for two-dimensional photonic crystals is derived which leads finally to quadratic eigenvalue problems. Results for square and triangular lattices are presented and some applications are discussed.     

基于石墨烯的可调谐太赫兹光子晶体结构

本文将石墨烯引入到常规光子晶体中构建一种新型光子晶体, 首次从理论上严格导出了决定其能带结构的色散关系, 由于色散关系中石墨烯电导率的存在导致了它具有与常规光子晶体有所不同的特殊光学性质, 我们发现, 随着费米能增大, 低频段能带迅速向高频移动, 而高频段能带移动缓慢, 导致了常规光子晶体没有的能带压缩现象的发生, 究其原因在于石墨烯在低频段电导率迅速变化, 而高频段电导率变化缓慢, 导致能带向高频压缩, 使得光波原先允许频率变成禁止传播, 而禁止频率变成允许传播.     

Two-dimensional function photonic crystals

In this paper, we have studied two-dimensional function photonic crystals, in which the dielectric constants of medium columns are the functions of space coordinates , that can become true easily by electro-optical effect and optical kerr effect. We calculated the band gap structures of TE and TM waves, and found the TE (TM) wave band gaps of function photonic crystals are wider (narrower) than the conventional photonic crystals. For the two-dimensional function photonic crystals, when the dielectric constant functions change, the band gaps numbers, width and position should be changed, and the band gap structures of two-dimensional function photonic crystals can be adjusted flexibly, the needed band gap structures can be designed by the two-dimensional function photonic crystals, and it can be of help to design optical devices.     

宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构

提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.