贵金属纳米颗粒调控共振荧光

论文总字数：20016字

摘 要

伴随着纳米技术的飞速发展,人们在已经存在的原子分子基础上,构建出各种具有量子效应的纳米颗粒,除了这些纳米材料之外,还有一些材料尺度虽然在微米量级,但是某一维度处于纳米量级,在一定的条件下能显示出量子效应。本文对等离子体纳米结构附近的四级双 v 型量子发射器的共振荧光进行了理论研究。量子系统与两个正交圆极化激光场的交互频率和强度相同, 但相位不同。对于等离子体纳米结构, 我们考虑了金属涂层介电纳米球的二维阵列。研究表明, 等离子体纳米结构的存在导致了共振荧光光谱的强修饰和荧光光子从抗束到束的过渡。此外，共振荧光光谱和二阶相关函数都具有很强的相位依赖性, 因此激光场的相对相位可以用来有效地控制共振荧光特征。

关键词：等离子体纳米结构、共振荧光。

Abstract

Along with the development of nanotechnology, people build a variety of nanoparticles with quantum effects on the basis of atomic molecules that already exist in nature, in addition to these nanomaterials, there are some material scales in the micron magnitude, but a certain dimension is in the nanometer magnitude, under certain conditions can show the quantum effect. In this paper, the resonant fluorescence of four-stage double V-type quantum transmitter near plasma nanostructure is studied theoretically. The interaction frequency and intensity of quantum system with two orthogonal circular polarized laser fields are the same, but the phase is different. For plasma nanostructures, we consider a two-dimensional array of metal-coated dielectric nano-balls. The results show that the presence of plasma nanostructures leads to the strong modification of resonant fluorescence spectra and the transition of fluorescent photons from beam to beam.

In addition, both the resonant fluorescence spectrum and the second-order correlation function have strong phase dependencies, so the relative phase of the laser field can be used to effectively control the resonance fluorescence characteristics.

Key words: Plasma nanostructure, resonance fluorescence.

目 录

摘要 ……………………………………………………………………2

Abstract ……………………………………………………………………2

1. 绪论 ………………………………………………………………4

1.1引言…………………………………………………………………………………………………………………………4

1.2研究背景………………………………………………………………………………………………………………4

1.3研究目的和意义……………………………………………………………………………………………5

第二章、四能级双 v 型量子发射器的共振荧光的性质…………6

2.1可行性……………………………………………………………………6

2.2理论模型…………………………………………………………………6

2.2数值结果 ………………………………………………………11

结论 …………………………………………………………………… 20

附录A:裸态共振荧光光谱 ………………………………………………21

附录B:共振荧光 ………………………………………………………22

参考文献（References） …………………………………………………25

致谢 ………………………………………………………………………………28

第一章 绪论

1.1引言

本文主要研究量子点、金属纳米颗粒和纳米机械振子复合系统中的相干光谱和量子点、金属纳米颗粒和纳米机械振子复合系统中的效应和等离子体纳米结构附近的四级双 v 型量子发射器的共振荧光。量子系统与两个正交圆极化激光场的交互频率和强度相同, 但相位不同。对于等离子体纳米结构, 我们考虑了金属涂层介电纳米球的二维阵列。研究表明, 等离子体纳米结构的存在导致了共振荧光光谱的强修饰和荧光光子从抗束到束的过渡。此外，共振荧光光谱和二阶相关函数都具有很强的相位依赖性, 因此激光场的相对相位可以用来有效地控制共振荧光特征。

金属纳米颗粒就是尺寸在几纳米到数百纳米之间的金属颗粒物。把金属纳米颗粒放在光场中,光场中的电场分量就会诱导金属纳米颗粒中的电子在金属纳米颗粒表面重新分布,并且金属钠米颗粒表面的电子还会随着电场的振荡而振荡。在金属表面形成的集体电子密度的振荡分布,就被称作为等离子。金属纳米颗粒表面的等离子体被发现具有将外光场限制在纳米颗粒周围,并强烈增强光与物质相互作用的功能。尤其是金和银的纳米颗粒,他们可以在可见光波段激发出表面等离子体。

1.2研究背景

近些年来,人们逐渐开始研究将金属纳米颗粒与染料分子或者半导体量子点相互耦合的系统。在这些耦合系统中,人们发现等离子体具有增强分子或者量子点辐射功率,激子吸收系数和非辐射能量转移的能力。研究将单个分子与单个球形金属纳米颗粒相耦合的系统,发现金属纳米颗粒对分子的作用如同一个纳米量级的天线,可以强烈的增强分子的荧光谱。等发现半导体量子点和金属纳米颗粒耦合系统中的双峰的结构以及双稳态,并且认为这些结果是由于极子与等离子体强耦合造成的。进一步发现由于量子点和等离子体的超共振将会导致量子点中的振荡。有人从理论上研究了量子点和金属纳米颗粒耦合系统中的由于表面等离子体增强的三阶效应和慢光效应。此外,表面等离子体一直被用来增强拉曼散射,此即是表面增强的拉曼散射光谱。

纳米金属颗粒产生的表面等离子体增强拉曼散射,可以得到传统的表面增强拉曼散射谱不能实现的功能。另一方面,纳米机械系统和光机械系统也被大量地应用在研究和测量及其微小的力或者位移方面。并且纳米机械系统在能源,医药,医疗和生物等方面也具有重要的应用价值。随着现代纳米加工工艺的发展,人们可以在各种纳米器件,如量子点金属纳米颗粒,碳纳米管,纳米机械系统,石墨烯,等基础上,研究和开发出各种具有新颖特性的复合纳米材料。这些人工复合纳米材料中,将会展现出各种各样新颖的光学效应。各种光学效应中,尤其以三阶非线性效应是较为重要的一种,因为它在众多领域有非常重要的应用价值,例如:效应在光学相位调制、折射率调制方面有出色的表现,这些调制可以用在光通讯,光存储,光学计算和信息处理等一些非常有前景的技术中得到应用。但是,由于效应取决于介质的三阶极化率,它的值相比一阶极化率来说非常小。因此,寻找能在弱光情况下有强三阶非线性响应的材料一直被广泛重视。等人研究了使用一个被悬挂的硅量子线中的效应。在他们的系统中,得到了超过硅本征材料倍以上的系数。李金金等研究了量子点和纳米机械系统耦合系统中的三阶效应,发现纳米机械系统的振动模可以极大的增强效应。一些光机械系统也被用来增强三阶线性。近些年来,人们发现金属纳米颗粒表面产生的等离子(金属纳米颗粒表面电子密度的振荡)具有增强光与物质相互作用的功能,能同时增强物质对光的吸收,发射和非辐射能量传输。因此,人们期望金属纳米颗粒表面产生的等离子可以被用来增强三阶非线性效应。陆志恩等人研究了一个半导体量子点和金属纳米颗粒耦合系统中等离子增强的效应,发现金属纳米颗粒对效应有明显的增强。等研究了一个由表面渡金的纳米介质球组成的三维薄膜中对三阶非线性效应的增强作用。

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