半导体量子点光发射纠缠特性及量子点与贵金属纳米线的耦合

半导体量子点在量子计算和量子信息领域具有重要的价值,是一种极具前景的纠缠光子源。金属表面等离子体在生物传感和局域场增强等方面的应用也是一个研究热点。最近,量子点与金属纳米线的耦合以实现量子信息传递的研究取得了很大的进展。本文研究了单个半导体量子点的纠缠“光子对”发射特性、纳米尺度光发射体(如量子点)与贵金属纳米线的耦合、环形纳米生物传感器件以及环形纳米光学天线的设计。具体工作有以下几个方面：1.半导体量子点纠缠“光子对”发射利用粒子数运动方程和量子回归理论,计算了单个半导体量子点双激子体系脉冲激发下粒子在各能级间辐射跃迁的二阶交叉相关函数以及系统发射光子对的偏振密度矩阵。分析了激子态简并、非简并量子点体系发射光子对偏振纠缠特性,讨论了纠缠度随激子态间自旋弛豫、频谱过滤窗宽度、输入脉冲面积的变化关系。2.金属纳米环多极共振与环形高敏感度传感器件的设计利用偶极矩近似方法和有限时域差分法分析了金属纳米环多极共振与表面等离子体波长的关系,并提出了一种提高环形生物传感器件敏感度的方案。研究结果表明,当完整纳米环、带一个小缺口的纳米环的周长分别约等于表面等离子体波长的整数、半整数倍时达到表面等离子体共振。纳米环对外界折射率的敏感度与多极共振模式数的倒数成正比,在共振主峰处,带一个缺口的纳米环的敏感度比完整环提高了约1倍。3.金属纳米环表面等离子体聚焦与环形纳米天线的设计在斜入射情况下,金属纳米环上的表面等离子体将由一端传输并聚集在另一端,增强了聚集端的局域场。利用这一等离子体聚焦透镜的性质,在聚集端加入缺口以引入表面等离子体强耦合,使环上局域场场强比偶极纳米天线提高了约37%。4.纳米尺度光发射体与贵金属纳米线的耦合采用有限时域差分法研究了纳米尺度光发射体与两根金属纳米线的耦合、表面等离子体传输、远场散射。改变光发射体与纳米线之间的距离,表面等离子体波长在380-650nm范围内可调,这引起了耦合常数和表面等离子体态密度的增加。计算结果表明,与采用单根纳米线相比,耦合进入纳米线的能量以及远场散射强度提高到大约4倍。