Μη-γραμμικές οπτικές διαδικασίες σε δομημένο φωτονικό περιβάλλον

Abstract

A relatively new area of active research involves the study of the optical propertiesof quantum systems (atoms/molecules and semiconductor quantum dots) coupled toplasmonic (metallic) nanostructures. The large fields and the strong light confinementassociated with the plasmonic resonances enable strong interaction between the electromagneticfield and quantum systems near plasmonic nanostructures. In addition,using the quantum system one may achieve external control of the optical propertiesof the hybrid photonic structure. In this thesis we analyze both theoretically andcomputationally the optical response of hybrid nanosystems comprised of quantumemitters and plasmonic nanostructures. We put emphasis on the study of nonlinearand quantum optical processes. In these systems the spontaneous decay rate and theelectromagnetic field that interacts with the quantum emitter is significantly modifiedby the surface plasmons of the plasmonic nanostructures. We study cases of bothsimple and more involved plasmonic nanostructures. An example of a simple plasmonicnanostructure considered in this thesis is a metallic nanosphere, while a moreinvolved one is a two-dimensional array of metal-coated dielectric nanospheres. Thequantum systems are atoms/molecules and especially semiconductor quantum dotsand are described by two-level, three-level or four-level systems. We find that severalcoherent optical phenomena that happen in the quantum systems can be strongly influenced by the presence of the plasmonic nanostructure. Specifically, we show thateffects such as quantum interference in spontaneous emission, controlled populationinversion, optical transparency and gain without inversion, slow light, enhanced nonlinearoptical Kerr effect and four-wave mixing as well as phase-dependent absorptionand dispersion profiles can be created and modified.

Μια σχετικά νέα περιοχή έντονης ερευνητικής δραστηριότητας ασχολείται με τημελέτη των οπτικών ιδιοτήτων κβαντικών συστημάτων (ατόμων/μορίων καιημιαγώγιμων κβαντικών τελειών) συζευγμένων με πλασμονικές (μεταλλικές)νανοδομές. Τα ισχυρά πεδία και ο έντονος περιορισμός του φωτός που σχετίζονται μετους πλασμονικούς συντονισμούς οδηγούν σε ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ τωνηλεκτρομαγνητικών πεδίων και των κβαντικών συστημάτων κοντά σε πλασμονικέςνανοδομές. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας τα κβαντικά συστήματα μπορεί να επιτευχθείεξωτερικός έλεγχος των οπτικών ιδιοτήτων της υβριδικής φωτονικής δομής. Στηδιδακτορική διατριβή μελετάται θεωρητικά και υπολογιστικά η οπτική απόκρισησυμπλεγμάτων κβαντικών συστημάτων με μεταλλικές νανοδομές, δίνοντας έμφασησε μη-γραμμικές και κβαντικές οπτικές διαδικασίες. Στα συστήματα αυτά ταεπιφανειακά πλασμόνια των μεταλλικών νανοδομών επηρεάζουν σημαντικά, τόσο τοηλεκτρομαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρούν τα κβαντικά συστήματα, όσο και τορυθμό αυθόρμητης εκπομπής των κβαντικών συστημάτων. Μελετάμε απλές καιπολύπλοκες μεταλλικές νανοδομές, όπως μια μεταλλική νανοσφαίρα και μιαδιδιάστατη διάταξη διηλεκτρικών νανοσφαιρών επικαλυμμένων με μέταλλο(μεταλλικοί νανοφλοιοί). Τα κβαντικά συστήματα είναι άτομα/μόρια και κυρίωςημιαγώγιμες κβαντικές τελείες και περιγράφονται από συστήματα δύο, τριών καιτεσσάρων ενεργειακών επιπέδων. Δείχνουμε ότι, φαινόμενα όπως δημιουργίακβαντικής συμβολής στην αυθόρμητη εκπομπή, σύμφωνη ελεγχόμενη αναστροφήπληθυσμού, οπτική διαφάνεια και κέρδος χωρίς αναστροφή πληθυσμού, δημιουργίααργού φωτός, τροποποιημένη οπτική μη-γραμμικότητα Kerr και μίξη τεσσάρωνκυμάτων, όπως και φαινόμενα ελέγχου μέσω φάσης, εμφανίζονται στα κβαντικάσυστήματα και τροποποιούνται σημαντικά λόγω της ύπαρξης της μεταλλικήςνανοδομής.