旋转二维激子极化激元凝聚涡旋叠加态的动力学特性

研究了二维激子极化激元凝聚正反涡旋叠加态在半导体微腔极化激元波色爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)体系旋转情形下的稳定性和动力学特性.在体系旋转情形下对单分量Gross-Pitaevskii方程进行重构,利用四阶龙格库塔方法和时域有限差分方法构建数值模型.利用实时演化方法研究在体系旋转的情况下,不同拓扑荷数的正反涡旋叠加态的实时演化过程及稳态局域粒子数和体系旋转角速率之间的关系.研究了涡旋叠加态激发区域的旋转速率与体系旋转速率的关系,并阐明了体系的旋转速率对涡旋叠加态相位稳定性的影响机理.研究表明,半导体微腔极化激元BEC体系的旋转速率对激子极化激元凝聚叠加态的演化过程及其动力学特性有重要影响.

二维激子极化激元凝聚中涡旋叠加态稳态及动力学特性研究

利用分步Crank-Nicolson方案的虚时和实时有限差分方法求解耗散系统的Gross-Pitaevskii(GP)方程,研究了二维激子极化激元凝聚(exciton-polariton condensates)体系中正反涡旋叠加态的稳态结构并直观地验证这种稳态结构在半导体微腔旋转下的稳定性和动力学特性.通过虚时和实时演化相结合的方法求解出几种角动量情况下所对应的稳定涡旋叠加态.然后利用实时演化方法研究在半导体微腔旋转的情况下,正反涡旋叠加态的稳定性及其旋转角速率和半导体微腔旋转角速率之间的定量关系.最后研究了单涡旋态在半导体微腔旋转时形成涡旋阵列的动力学过程,并给出了泵浦光宽度和增益项对涡旋阵列结构的影响.研究表明,系统的泵浦,损耗和增益对稳定性和动力学特性有重要影响.

环形泵浦激发下微腔激子极化激元的涡旋叠加态演化分析

微腔激子极化激元由于具有较轻的有效质量,很容易实现玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC),其在外界驱动下产生的陀螺效应具有广阔的应用前景.本文研究了微腔激子极化激元在环形光束泵浦下微腔半径以及泵浦参数对体系演化的影响.从单分量的Gross-Pitaevskii方程出发,对环形微腔中的激子极化激元BEC体系的演化过程进行研究.通过数值模拟研究了在环形微腔中保持体系稳定演化的最大涡旋叠加态花瓣数与微腔半径的关系,分析了不同形式的环形光束泵浦作用下激子极化激元体系的演化情况,发现在微米量级的微腔半径下,特定形式的单环泵浦和多环泵浦能够使得微腔容纳更高阶的激子极化激元稳定涡旋叠加态的存在.研究结果表明,在一定的泵浦驱动条件下,微腔半径的大小与体系能容纳的涡旋叠加态花瓣数上限之间是线性正相关的,并且在改变泵浦激光构型时能够突破这一上限,产生高阶、多重的涡旋叠加态.

叠加态涡旋光束经旋转随机粗糙表面的频移特性

论文基于涡旋光束传输特性及光散射理论,研究了叠加态涡旋光束经旋转随机粗糙表面的场分布及干涉特性.对拓扑荷值大小相同、符号相反的两束涡旋光进行了叠加生成仿真及实验,利用角谱衍射理论,分析了旋转随机粗糙表面均方根粗糙度对光束传输的影响,数值计算了不同拓扑荷值的叠加态涡旋光束经旋转随机粗糙表面后,与参考光进行干涉得到不同转速下归一化强度值随时间变化的曲线,并通过光强-时间函数间接求得频移量,再反演得到旋转目标的转速.结果表明:通过仿真曲线的周期反演频率,当转速Ω分别为2π/3 rad/s,2πrad/s,10π/3 rad/s时,对应的频移Δf分别为2/3Hz,2Hz,10/3Hz.研究结果可以为叠加涡旋光的调控及应用提供理论参考.

水下拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态传输特性

通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束(高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加)传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明:随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。

量子涡旋陀螺若干关键参数的仿真计算(特邀)

半导体微腔中由光驱动的激子极化激元体系是近年来热门的物理学、光学领域研究方向,而半导体微腔中由光驱动的玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein Condensates,BEC)的量子叠加态涡旋在量子传感领域具有颠覆性的潜在应用价值。通过Runge-Kutta差分和FDTD有限元方法构建了一个精确的数学模型来表征量子涡旋陀螺激子极化激元体系的时空演化规律。在此基础上,研究了泵浦光、信号光和与半导体微腔材料相关的一些关键参数对量子涡旋陀螺激子极化激元凝聚体演化特性的影响。其中泵浦光和信号光考虑了环形光斑的几何尺寸以及它们的光强,而微腔材料对激子极化激元体系的影响通过数学上的变换,折算为有效质量对BEC体系的影响。通过大量参数扫描,得到了影响量子涡旋陀螺性能的一些关键因素,包括泵浦光的几何参数和强度、泵浦光和信号光的相关影响以及半导体微腔的材料特性。通过表征不同微腔材料的有效质量与性能之间的关系,计算了材料性能与量子涡旋陀螺仪叠加态演化之间的关系,发现有效质量的合理值范围很窄。这些工作为量子涡旋陀螺的工程样机研发提供了重要参考。