At give de studerende en god forståelse for fysikken bag lys-stof vekselvirkning i mikro- og nanostrukturer og anvendelsen heraf i nanofotoniske komponenter, såsom lasere. Strukturering af et materiale på en nanometer længdeskala kan i dag benyttes til at styre udbredelsen af lys vha. båndgabseffekter i fotoniske krystaller, samt kontrollere de tilladte elektroniske tilstande under udnyttelse af kvantiseringen i kvantebrønde og kvantepunkter. Denne basale kontrol af materiale egenskaber kan anvendes til at forbedre eksisterende komponenter, såsom lasere, men danner også udgangspunkt for helt nye komponenter og teknologier; f.eks. fotoniske komponenter med forstærket lys-stof vekselvirkning til brug indenfor kvanteteknologi, plasmonics, fotoniske krystaller og metamaterialer. Aktuelle forskningsemner på DTU Fotonik vil blive inddraget, og kurset fører frem mod teoretiske såvel som eksperimentelle specialkurser eller eksamensprojekter på DTU Fotonik En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:

• redegøre for de forudsætninger der ligger til grund for de fysiske modeller
• skitsere udledningen af de væsentligste resultater
• redegøre for forstærkningsspektre og spontan emission i homogene materialer samt lav-dimensionale halvledermaterialer såsom kvantebrønde og kvantepunkter
• opstille rateligninger for halvlederlasere og anvende dem til analyse af statiske og dynamiske egenskaber
• beskrive lys-stof vekselvirkning og dæmpningsmekanismer vha. tæthedsmatrix ligninger for to-niveau systemer og halvledere
• redegøre for Fermi’s gyldne regel samt kohærente effekter såsom Rabi oscillationer
• anvende spredningsmatricer til at analysere gitre og kaviteter baseret på Bragg refleksion, herunder DBR lasere og VCSELs
• redegøre for den grundlæggende teori og principperne bag fotoniske krystaller og anvendelsen af defekter til at realisere optiske bølgeledere
• beskrive basale egenskaber af mikrokaviteter og plasmoner
• beskrive basale egenskaber og karakteristika for metamaterialer
• Analysere og forklare kavitets QED (quantum electro-dynamics) effekter involverende vekselvirkning mellem et to-niveau system og en foton, herunder vakuum Rabi oscillationer og Purcell-effekten.

Resume af grundlæggende optisk halvlederfysik. Vekselvirkning mellem lys og stof. Bølger i periodiske strukturer; gitre og resonatorer. To- og tre-dimensionelle fotoniske båndgabsstrukturer. Optisk forstærkning i homogene og nanostrukturerede materialer, såsom kvantebrønde og kvantepunkter. Dynamiske egenskaber og støjspektre for halvlederlasere. Nanolasere. Spontan emissions kvantestøj. Tæthedsmatrix formulering af vekselvirkning mellem lys og stof. Kohærente effekter såsom Rabi oscillationer og overgangen til ratelignings modeller. Ultrahurtig ladningsbærerdynamik i halvleder materialer. Mikrokaviteter, plasmoner og metamaterialer. Kavitets QED. Kurset består af en kombination af forelæsninger og regneøvelser, kombineret med computersimuleringer og eksperimentelle øvelser. 09. april, 2019