绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计
超晶格结构的制备及应用研究
超晶格结构的制备及应用研究超晶格结构是由具有特定形态和尺寸的纳米粒子组成的多层结构，是一种新型的纳米材料，具有非常广泛的应用前景。
目前，超晶格结构的制备方法主要有两种，一种是自组装法，另一种是模板法。
本文主要介绍这两种方法以及超晶格结构在催化、传感、光学等领域的应用情况。
一、自组装法自组装法是一种将纳米粒子有序自组装成规则排列的方法。
其优点在于制备过程简单，可以控制纳米粒子尺寸和形态，可以构建不同的结构，因此受到了广泛的研究。
目前常用的自组装法主要有三种：溶液自组装法、气-液界面自组装法、固-液界面自组装法。
溶液自组装法是最常用的一种制备方法。
在溶液中加入合适的表面活性剂和离子，通过控制温度、浓度和pH等参数来引导纳米粒子自组装。
气-液界面自组装法是利用表面活性剂在气-液界面上形成薄膜，并将纳米粒子定向排列在薄膜上。
固-液界面自组装法是通过在固体表面引入化学反应位点，使纳米粒子在固-液界面上定向自组装。
二、模板法模板法是在一定的介质中，利用某种模板来导向纳米粒子的自组装或沉积而形成的多层结构。
模板法是一种比自组装法更加精确的制备方法，可以制备出十分规则的纳米结构。
常用的模板法有硅模板法、氧化铝模板法、介孔模板法等。
三、超晶格结构的应用1.催化应用超晶格结构具有活性高、选择性好等优点，在催化领域得到广泛应用。
超晶格结构可以作为催化剂载体，将活性组分吸附于纳米粒子表面，从而提高催化效率。
超晶格结构还可以作为模板制备其他复合材料，如催化剂纳米线阵列等。
2.传感应用超晶格结构的特殊结构使得其在传感领域具有很好的应用前景。
超晶格结构可以有选择地吸附某些分子，因此可以用作分子印迹传感器。
超晶格结构还可以用于电荷传输和信号放大，将其应用于电学、磁学和光学传感器等方面。
3.光学应用超晶格结构的周期性结构使其在光学领域具有很好的应用前景。
超晶格结构可以作为光子晶体，用于制备某些光学元件，如光纤耦合器、光学滤波器等。
超晶格与光子晶体
超晶格与光子晶体随着科学技术的不断发展，各种新材料和新现象相继被发现和研究。
其中，超晶格和光子晶体作为一种具有特殊结构和性质的材料，引起了广泛的关注和研究。
本文将介绍超晶格与光子晶体的概念、制备方法和应用前景，并探讨它们在材料科学和光学领域所扮演的重要角色。
超晶格是指一种周期性的结构，由两种或更多种晶格周期性重叠而形成。
与传统的晶体相比，超晶格具有更加丰富的结构和性质。
它可以通过不同材料或同一材料的不同取向来制备，通过精确调控晶格参数和晶格间距实现特定的功能。
超晶格常用于纳米尺度的器件制备，如光子晶体、超材料等。
光子晶体是一种利用光子带隙效应的材料，它具有具有周期性结构的物质，可以通过禁带效应控制光子的传播和衍射。
这种特殊的光学性质使得光子晶体在光学领域得到了广泛应用。
制备光子晶体的方法主要有自组装法、模板法、离子束刻蚀等。
利用这些方法，可以制备出具有不同周期结构的光子晶体，从而实现光的完全反射和波导等功能。
超晶格与光子晶体的结合，能够将超晶格的结构与光子晶体的光学性质相结合，形成一种全新材料。
这种结合使得材料具有了更加复杂的结构和更丰富的性质。
以超晶格为模板，可以制备出具有特定结构的光子晶体，从而实现对光子传播的全面控制。
这种结构的优势在于，它不仅可以实现光子的完全反射，还可以控制光的波长、频率和偏振方向等性质。
超晶格与光子晶体的研究和应用涵盖了许多学科领域。
在光学领域，超晶格与光子晶体被广泛应用于光传输、光波导、光耦合等方面。
在材料科学领域，超晶格与光子晶体的结构设计和制备对于新材料的开发具有重要作用。
此外，在能源、生物医学等领域，超晶格与光子晶体也有着潜在应用前景。
值得一提的是，超晶格与光子晶体的研究还存在一些挑战和难点。
首先，制备具有特定结构的超晶格和光子晶体需要高精度的加工技术和细致的控制手段。
其次，对于这种材料的性质研究还需要相应的理论模型和计算方法。
因此，超晶格与光子晶体的研究需要不同学科领域的专家共同合作，共同解决这些问题。
超晶格结构及其物理性质分析研究
超晶格结构及其物理性质分析研究超晶格( Superlattice)是一种由两种或两种以上不同材料交替排列排成的人工晶体材料。
它的几何结构可以用一定的周期性来描述。
超晶格结构的制备是近年来材料科学研究领域中的一个热点问题，因为其被广泛应用于电子学、光电子学、纳米电子学、半导体及光电器件等领域。
本文旨在对超晶格结构及其物理性质进行介绍和分析研究。
一、超晶格结构的制备超晶格的制备一般采用金属-半导体或半导体-半导体异质结合成的结构。
异质结的制备原则是利用不同的材料性质，如不同的基底，晶格常数、材料缺陷等，通过外延生长技术或离子注入技术等方法把它们联系起来，达到制备超晶格结构的目的。
利用这些技术可以控制异质接面的形貌和厚度，从而控制超晶格的周期性和形状。
二、超晶格结构的性质超晶格具有许多独特的性质，其中一些性质是由超晶格的周期性结构所带来的。
这些性质包括:1. 低维电子结构超晶格结构中的建构元件常是低维结构，如二维量子阱，三维量子点和一维量子导线等。
这些结构的电子在空间上被限制在微小的范围内，因此可以显示出在真实物质中不易见到的新奇性质。
如二维量子阱中的电子会表现得像自由电子，具有弱反射和透明性，从而可用来制造高速电子运输的半导体激光器。
2. 禁带结构和能带结构超晶格能带结构的演化涉及到最复杂的电子结构现象之一。
当晶格常数接近等于量子点直径时，可以形成禁带，通过改变晶格常数可以改变禁带的大小，对半导体光电器件的设计和使用具有重要的影响。
3. 光学性质超晶格结构对入射光具有复杂检测应答能力。
在观察入射光时，相贯干涉也会显示出低维结构的普遍性，光子与电子之间的相互作用也比在限定晶体中更密集。
4. 磁性和输运性质超晶格可以显示出独特的磁性和输运性质，由于超晶格自身所具有的周期性结构，使得电子在超晶格中的传输呈现出完全不同于杂质限制下传输的现象。
三、超晶格在材料领域的应用通过超晶格的制备和相关性质的研究，我们可以制备出一些具有优良性质的材料来：1. 优良的光电特性例如InGaAs/GaAs超晶格结构，可以获得比GaAs基底优异的光电性能。
光学超晶格中的玻色 模型
山 西 大 学2009届硕士研究生学位论文光学超晶格中的玻色t-J模型姓 名梁成功指导教师张云波教授学科专业凝聚态物理研究方向冷原子物理培养单位理论物理研究所学习年限2006年9月—2009年7月二OO九年六月Dissertation for the Master’s Degreeof Shanxi University in 2009Bosonic t-J Model in Optical SuperlatticesName Chenggong LiangZhangSupervisor ProfessorYunboMatterPhysicsCondensedMajorField of Research Cold Atom PhysicsTheoreticalPhysicsofDepartment InstituteResearch Duration 2006.9－2009.7June, 2009目录目 录中文摘要 (III)ABSTRACT (IV)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2光晶格中的超冷原子 (2)1.2.1单分量玻色哈伯德模型..................... . (3)1.2.2两分量玻色哈伯德模型 (5)1.3光晶格中的量子相变 (7)1.3.1B OGOLIUBOV 方法 (8)1.3.2退耦近似 (11)第二章光学超晶格中冷原子的超交换相互作用 (14)2.1光学超晶格的实验实现 (14)2.2超交换相互作用的观测和控制 (16)2.2.1自旋动力学的研究 (16)2.2.2 超交换相互作用大小和符号的控制 (20)第三章光学超晶格中的玻色t-J模型 (21)3.1费米t-J模型 (21)3.1.1G UTZWILLER 投影算符法 (21)3.1.2二阶微扰方法 (23)3.1.3光晶格中费米子的有效哈密顿量 (24)3.2光学超晶格中的玻色子 (26)3.2.1光学超晶格中玻色子的有效哈密顿量 (26)3.2.2光学超晶格中硬核玻色子的有效哈密顿量 (30)3.2.3各向异性的海森堡模型 (32)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (37)CONTENTSChinese Abstract (III)Abstract (IV)Chapter 1 Introduction (1)1.1 Overview (1)1.2 Ultracold atoms in optical lattice (2)1.2.1 Bose Hubbard model (3)1.2.2 Two-component Bose Hubbard model (5)1.3 Quantum phase transition for Bose gases in optical lattice (7)1.3.1 Bogoliubov Approximation (8)1.3.2 Decouping Approximation (11)Chapter 2 Superexchange Interactions with Ultracold Atoms in Optical Superlattices (14)2.1 Experimental realization of optical superlattices (14)2.2 Observation and control of superexchange interactions (16)2.2.1 Time-resolved observation of spin dynamics (16)2.2.2 Control of superexchange interactions (20)Chapter 3 Bosonic t-J Model in Optical Superlattices (21)3.1 Fermionic t-J model (21)3.1.1 Guziwiller projection operator (21)3.1.2 Second-order perturbation method (23)3.1.3 Effective Hamiltonian of fermions in lattice (24)3.2 Bosons in optical superlattices (26)3.2.1 Effective Hamiltonian of bosons in optical superlattices (26)3.2.1 Effective Hamiltonian of hard-core bosons in superlattices (30)3.2.2 Anisotropic Heisenberg model (32)Conclusion (33)References (34)Acknowledgement (37)中 文 摘 要光晶格中超冷原子体系从超流到Mott-绝缘相的转变翻开了可控环境下强关联系统研究新的一页。
超晶格第四章半导体超晶格
3�电学方法�C-V法�
当有外加电压Va存在时�势垒的宽度和高度的关系为�
( x0
−
x1 )
=
[
2ε1ε 2N D
qN A (ε1N A + ε 2N D
)
(VD
− Va
)]1/ 2
( x2
−
x0 )
=
[
2ε1ε 2N A
qN D (ε1N A + ε 2N D )
?异质结不同能隙材料形成的结如族族族等?主要特点能隙宽度介电常数及电子亲和势均不同?不仅是超晶格的基本组成部份其材料与结构的不同也为器件设计带来许多自由度及独特的性质21理想突变异质结能带图理想突变异质结的模型是两种材料一直到边界都保持其体内的特性在边界上才突变成另一种材料
第四章 半导体超晶格
§1 引言 §2 异质结 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格电子态理论 §5 超晶格晶格振动 §6 超晶格量子阱的光学性质 §7 超晶格量子阱的垂直输运性质 §8 超晶格量子阱应用例举 §9 量子Hall效应 *§10 低维超晶格和微结构
3�应变超晶格
一般认为�晶格常数的失配度<0.5%为晶格匹配� 失配度>0.5%为晶格失配。在晶格常数失配度<7% 的范围内�其中的一种或两种材料内存在应变�以 补偿晶格常数的失配�界面不产生位错与缺陷。
如�Si/Ge, GaP/InP
§2
异质结 - 超晶格的基本单元
“半导体异质结物理”, 虞丽生,科学出版社.
当势阱的宽度和载流子的有效质量已知时�可用和 实验数据相拟合的办法求出相应势阱的深度�即导 带带阶和价带带阶。
电子的跃迁满足选择定则 Δn = 0�即位于第n个重 �或轻�空图穴5 量能子级阱只中的能量跃子能迁级到和第光跃n迁个电子能级。
纳米电子学研究中的超晶格结构
纳米电子学研究中的超晶格结构随着科技的飞速发展，纳米电子学研究得到了极大的关注和重视。
作为一种新型的电子材料，超晶格结构在纳米电子学领域中正逐渐成为研究热点。
本文将深度探究纳米电子学研究中的超晶格结构。
一、什么是超晶格结构？超晶格结构（superlattice）是由几种不同的纳米尺度晶体通过薄层堆叠的方式组成的一种新型纳米结构体系。
它是一种特殊的材料结构，通过不同原子间的排列方式，实现了电子传输和光学特性的精密调控，从而显著地改善了材料的电学性质、热电性质等方面的性质，同时超晶格结构也常被用作纳米电子元器件的基底，如光电二极管、太阳能电池等。
二、超晶格结构在纳米电子学中的应用超晶格结构在纳米电子学领域中应用广泛。
以太阳能电池为例，传统的太阳能电池采用硅、铜铟硒等材料，但是它们的能量转换效率并不高。
而采用超晶格结构制作的太阳能电池可以极大地提高能量转换效率。
通过在ZnO膜上使用特殊的化合物材料制成超晶格结构，可以增加太阳能电池对不同波长的光的吸收范围，从而提高电池转化效率。
此外，超晶格结构还可以用来制造更快的计算机芯片。
在现代计算机中，处理器速度取决于电子在碳化硅晶体管中的传输速度。
而超晶格结构无需增加额外的导电材料，就能够提高电子在晶体管内的传输速度，从而加速计算机的运行速度。
三、超晶格结构的制备方法超晶格结构制备的方法种类繁多，其中最常用的是分子束外延法（MBE）和金属有机分解法（MOCVD）。
MBE是一种高真空制备技术，可以在纳米尺度下压缩原子间的距离，从而制造出超晶格结构。
该技术使用的基板一般是单晶材料，比如石墨烯、硅、氮化硅等。
MOCVD技术是一种气相沉积工艺，其原理是将有机金属化学物质蒸发，形成反应性气体，然后在基板表面上进行晶体生长。
这种技术可以制备出更大尺寸的薄膜，同时可以控制晶体生长速度和化学组成，从而制备出高质量、高结晶度的超晶格结构。
四、超晶格结构的未来发展方向随着科技的不断发展，超晶格结构在纳米电子学领域中的应用前景十分广阔。
超晶格的结构和电学性质的研究
超晶格的结构和电学性质的研究超晶格是一种由周期性排列的微米或纳米级别的结构单元组成的晶格。
这种结构具有高度的有序性和周期性，有助于研究其电学性质和应用价值。
目前，超晶格的应用领域非常广泛，常用于制备催化剂、传感器、纳米光学器件等。
超晶格的结构超晶格的结构主要由两种单元组成：基元和基本元。
基元是超晶格使用的最小单元，而基本元则是由多个基元组成的结构单元。
基本元是一种相互连接并自组装成超晶格的小单元，由于基本元有规则和有序性，因此具有优异的电学性能和光学性能。
超晶格的结构可以分为两类：线性周期结构和非线性周期结构。
线性周期结构是一种由周期性重复的基元构成的结构，这种结构具有高度的有序性和周期性。
而非线性周期结构则是由不同的结构单元组成的结构，这种结构具有多种物理和化学性质，因此也有广泛的应用前景。
超晶格的电学性质超晶格的电学性质是由其不同的结构单元决定的，因此不同的超晶格具有不同的电学性质。
但是，从大多数超晶格的研究中可以得出一些共同的结论。
首先，超晶格的电学性质与其空间周期性有关。
当超晶格单元的周期相近时，其电学性质将受到明显的影响。
其次，超晶格的电学性质还取决于超晶格所使用的材料的电学特性，例如其导电性、介电常数等。
最后，超晶格的电学性质还与其结构单元之间的相互作用有关。
超晶格的应用超晶格在化学和材料科学领域有许多应用。
例如，超晶格作为光散射材料具有良好的光学性能，可以用于光学传感器和微型激光器等器件中。
此外，超晶格还广泛应用于制备催化剂、电容器电极、高分子材料等。
由于超晶格在上述领域中具有广泛的应用前景，因此对其结构和电学性质的研究也是目前化学和材料科学领域的研究热点之一。
结语总之，超晶格的结构和电学性质的研究是一个现代化学和材料科学领域的热门研究方向。
通过对超晶格的研究，我们能够更好地利用其在光学、催化、传感器等诸多领域的应用。
随着技术的不断发展，我们相信，超晶格的应用前景也将更加广阔。
光学超晶格概述
(b)所示。在这样的单晶体中，其物理性 质不再是常数，而足空间坐标的周期函数。
多重准相位匹配和耦合参量过程
周期超晶格只有一组倒格矢，通常只能高效完成一个光参量过程。 而准周期光学超晶格具有多组的倒格矢，能同时高效完成多个光参 量过程。以Fibonacci结构与三倍频为例：一维Fibonacci准周期光学 超晶格的倒格矢为Gmn ;τ 是黄金分割数;lA lB是两个不同单元的厚 度; m n 是两个整数。
位相差随相互作用距离增加而增加，于是谐波和基波间能量的流动方向的正负符号
Bloembergen N.
随距离呈周期变化，最后表现在谐波强度上也呈周期性变化，
准相位匹配理论
(a)为多畴铁电晶体的示意图，其周期为Λ (a+b)，可以 是锟酸锂晶体，也可以是具有铁电畴的其他晶体，如 钽酸锂(LiTa03)、磷酸钛氧钾(KTiOP04)等。图中箭头 表示的是铁电畴自发极化矢量的取向。可以清楚的看 到，这些畴的畴壁相互平行，相邻的畴界内自发极化 矢量方向相反，这相当于从第一片畴进入第二片畴时 描述第二片畴物理性质的张量坐标系绕x轴旋转180。， 故其与自发极化矢量相关的性质，如非线性光学性质、 压电性质、电光性质等均将改变符号。
双折射相位匹配理论
利用晶体双折射特性，不同的偏振态具有不同折射 率，即参与互作用的光波取不同的偏振，从而在某个特 定的方向上实现相位匹配。上标e和o代表异常光和寻常 光，θ代表传播方向与晶体光轴之间的夹角
Peter Franken
准相位匹配理论
激光频率的转换过程遵守两个守恒定律，一是能量守恒，二是动量守恒。其 中动量守恒在非线性光学中称之为相位匹配。以倍频为例，ω为频率，k是波矢量。 在QPM中，G是光学超晶格提供的倒格矢。当位相差改变π时，能量的流动方向的 正负符号改变一次，相应的作用距离长度正好是谐波的半个消长周期，这个长度我 们定义为相干长度。n1为基波相速度；原先产生的谐波有着不同的位相，其相速度 n2。因此基波和谐波间的相速度差异带来的位相差决定了两者间能量流动的方向。
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人们对光的研究有着长久的历史，到了现代随着技术的发展，已经不再满足与先前的激光技术，对其提出了更高的要求。
其中较为常用和有效的方法是拓宽激光输出波长范围，这也是使用最多的方法。
是利用晶体的非线性频率转化技术制作出光学超晶格。
非线性光学，在频率转换以及获得新辐射光源领域扮演重要的角色。
在波长转化进程中，不同频率的两束光入射到非线性介质材料中,会以倍频(SHG)，混频以及级联的形式产生第三束光。
另外, 在超短脉冲光场中，宽带频率转换十分重要，但宽频带光场之间要同时满足相位匹配条件也是十分困难的。
绝热演化，是一系列经典和量子系统中非常重要的动力学过程，它可以为系统提供一个强有力的方式使其达到想要的量子态。
最近绝热概念被引进了频率变换领域，它不仅可以解决宽频带光场之间的转化问题，还可以同时获得近似完全的转化效率，并且成功的用于超短脉冲转化，获得了近100%超宽带光谱转化效率。
利用无衰减泵浦近似下的非线性进程与多能级相干激发量子态系统的类比,获得了新的频率转化思想，即不产生中间光的级联波长转化。
本文主要采用理论分析的方法设计验证绝热超晶格的结构。
首先对光学晶格场分布的数值模拟方法进行了介绍；后面对于绝热级联非线性频率转化介绍了级联非线性频率转化工程中的波动方程以及绝热频率的变换；在最后又对光学超晶格的结构又进行了详细的分析介绍，主要介绍准周期、非周期以及无周期的光学晶格。
文章主要采用理论分析、验证为主的功能结构设计的方法。
关键词：光学超晶格，绝热级联频率，非线性光学ABSTRACTThe development of modern optical technology, laser put forward newer and higher requirements. To broaden the range of laser output wavelength, the most commonly used and the most effective method of is using the technology of frequency conversion in a nonlinear crystal, nonlinear optics and in frequency conversion and obtain new radiation light source in the field play an important role. In the wavelength conversion in the process, different frequencies of the two beams of light incident to the nonlinear dielectric materials, with second harmonic generation (SHG) and mixing, as well as the form of cascade produces the third beam. In addition, the ultrashort pulse light field and broadband frequency conversion is very important, but broadband light field to satisfy the phase matching condition is very difficult. Thermal evolution, it is very important in a series of classical and quantum systems dynamics process, it can be for the system to provide a powerful way to achieve the desired quantum state. Recently adiabatic concept was introduced to the field of frequency transform. It can not only solve the problem of broad band optical field between the transformation, can also obtain approximate complete conversion efficiency, and successful for ultrashort pulse conversion, nearly 100% ultra wideband spectrum conversion efficiency. The attenuation pump approximation of nonlinear processes and multi level coherent excitation of analogy to the quantum state of the system were obtained. The new frequency conversion thought that does not produce the intermediate light cascaded wavelength conversion.In this paper, using the theoretical analysis of the design method is verified for adiabatic superlattice structure. First of optical lattice field distribution numerical simulation methods are introduced; behind the adiabatic cascade nonlinear frequency conversion the cascade nonlinear frequency conversion project in the wave equation and adiabatic frequency transformation; finally the optical super lattice structure and detailed analysis is introduced in. It mainly introduces the quasi periodic, non periodic and non periodic optical lattice. This article mainly adopts theoretical analysis and verification based functional structure design method.Key words: Optical Superlattice; Adiabatic cascade frequency;nonlinear optics目录目录........................................................................................................................ - 4 - 1.绪论........................................................................................................................ - 5 - 第2章计算级联绝热光学超晶格场分布的数值模拟方法.................................. - 6 -2.1用于级联绝热光学超晶格的理论模拟方法............................................... - 6 -2.2基于中心差分原理的一种数值模拟方法................................................... - 7 -2.3几种超晶格的倍频场分布的数值模拟....................................................... - 9 -3.绝热级联频率转换.............................................................................................. - 11 -3.1 级联过程耦合波方程............................................................................... - 12 -3.2反直观耦合次序与直观耦合次序............................................................ - 13 -4.光学超晶格结构设计.......................................................................................... - 14 -4.1 多重准位相匹配技术............................................................................... - 15 -4.1.1准周期结构光学超晶格................................................................. - 15 -4.1.2 非周期结构光学超晶格................................................................ - 16 -4.1.3 无周期结构的光学超晶格............................................................ - 17 -4.2 无周期级联光学超晶格实现光学STIRAP的设计................................. - 17 -5.结论...................................................................................................................... - 21 - 参考文献.................................................................................................................. - 22 - 致谢.......................................................................................................................... - 24 -1.绪论人类对光的猜想与探索是相当久远的，从激光器诞生至今我们对于其的探索更近一步。