34051 Nanofotonik
2024/2025
Overordnede kursusmål
At give de studerende en god forståelse for fysikken bag lys-stof
vekselvirkning i mikro- og nanostrukturer og anvendelsen heraf i
nanofotoniske komponenter,. 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 realisere
mikro- og nanolasere, 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, såsom de der foregår i Grundforskningscentret NanoPhoton
(
https://nanophoton.dtu.dk/),
og kurset fører frem mod teoretiske såvel som eksperimentelle
specialkurser eller eksamensprojekter på DTU Fotonik
Læringsmål
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 forstærkning og spontan emissions spektre 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
- redegøre for den grundlæggende teori og principperne bag
fotoniske krystaller og anvendelsen af defekter til at realisere
optiske bølgeledere
- beskrive basale egenskaber af metamaterialer og plasmoniske
strukturer
- redegøre for brugen af Greens tensor, lokal tilstandstæthed, og
kvasi-normale modes til at beskrive egenskaberne af strukturerede
elektromagnetiske materialer.
- 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.
- rededegøre for coupled-mode teori og anvendelser
heraf
Kursusindhold
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. Mikrokaviteter, plasmoner og
metamaterialer. Kavitets QED. Kurset består af en kombination af
forelæsninger og regneøvelser, kombineret med computersimuleringer
og eksperimentelle øvelser.
Sidst opdateret
02. maj, 2024