[论文解读] Excitation of exciton-polariton vortices in pillar microcavities by a Gaussian beam

A. S. Abdalla, Bingsuo Zou+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文表明，尽管高斯泵浦光束本身不具有固有的轨道角动量，但通过边界诱导的相位奇点和非线性相互作用，仍可在有限的柱状微腔中激发多种激子-极化子涡旋态与反涡旋态。利用耦合Gross-Pitaevskii方程，研究发现弱高斯光束可产生涡旋-反涡旋对、高角动量涡旋态以及叠加态，其激发效率强烈依赖于微腔半径、光束几何形状及非线性效应。

ABSTRACT

With coupled Gross-Piteavskii equations we study excitation of exciton-polariton vortices and antivortices in a pillar microcavity by a Gaussian pump beam. The structure of vortices and antivortices shows a strong dependence on the microcavity radius, pump geometry, and nonlinear exciton-exciton interaction. Due to the nonlinear interaction the strong Gaussian beam cannot excite more polariton vortices or antivortices with respect to the weak one. The calculation demonstrates that the weak Gaussian beam can excite vortex-antivortex pairs, vortices with high angular momentum, and superposition states of vortex and antivortex with high opposite angular momentum. The pump geometry for the Gaussian beam to excite these vortex structures are analyzed in detail, which holds a potential application for Sagnac interferometry and generating the optical beams with high angular momentum.

研究动机与目标

• 研究缺乏轨道角动量的高斯泵浦光束在柱状微腔中激发激子-极化子涡旋与反涡旋态的机制。
• 分析微腔几何结构、泵浦光束配置以及非线性激子-激子相互作用对涡旋结构形成的影响。
• 确定弱泵浦与强泵浦 regimes 是否可激发不同的涡旋态，特别是涡旋-反涡旋对与高角动量态。
• 探讨高斯光束作为生成极化子系统中拓扑涡旋态的实用替代方案，相较于拉盖尔-高斯光束的潜力。
• 为设计利用高斯光束生成复杂涡旋态以应用于量子信息与传感技术的实验提供理论框架。

提出的方法

• 建立耦合Gross-Pitaevskii方程组，用于模拟具有有限势阱的平面微腔中激子与光子场的动力学行为。
• 将高斯泵浦光束建模为具有可变光束中心位置及相对于腔轴方向波矢的局域源项。
• 采用贝塞尔函数与角向模的基展开方法，在稳态条件下求解耦合方程。
• 对弱泵浦与强泵浦两种情形数值求解平均场方程，仅在强泵浦情形下包含非线性项。
• 通过相位绕数与密度极小值分析所得极化子波函数，识别涡旋与反涡旋态。
• 评估涡旋形成对微腔半径、光束位置、光束方向（沿x轴或垂直于x轴）以及非线性相互作用强度的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺乏轨道角动量的高斯光束是否可在有限柱状微腔中激发激子-极化子涡旋态？
• RQ2 高斯光束的几何结构（位置与波矢方向）如何影响涡旋-反涡旋对及高角动量态的形成？
• RQ3 非线性激子-激子相互作用在强泵浦条件下对激发涡旋数量与类型起何种作用？
• RQ4 为何强高斯光束无法激发比弱光束更多的涡旋，尽管其泵浦功率更高？
• RQ5 在何种条件下可生成具有相反高角动量的涡旋与反涡旋的叠加态？

主要发现

• 即使不携带固有角动量，高斯光束仍可在有限柱状微腔中激发涡旋-反涡旋对、高角动量涡旋态以及涡旋-反涡旋叠加态。
• 这些涡旋态的激发强烈依赖于微腔半径以及光束相对于腔轴的空间与方向几何结构。
• 在弱泵浦情形下，非线性相互作用可忽略，系统可达到稳态，此时涡旋结构由光束几何与腔边界效应的相互作用产生。
• 在强泵浦情形下，非线性相互作用抑制了额外涡旋的形成，尽管泵浦功率更高，仍仅能激发少数涡旋。
• 涡旋结构主要由极化子在腔边界处的反射引起，该过程诱导相位奇点并导致相位的量子化绕数。
• 理论分析证实，在弱泵浦极限下系统支持稳定的涡旋态，光束的位置与方向决定了所生成涡旋的拓扑荷数与对称性。