双光腔耦合下机械振子的基态冷却

机械振子的基态冷却是腔量子光力学中的基本问题之一.所谓的基态冷却就是让机械振子的稳态声子数小于1.本文通过光压涨落谱和稳态声子数研究双光腔光力系统(标准单光腔光力系统中引入第二个光腔,并与第一个光腔直接耦合)的基态冷却.首先得到系统的有效哈密顿量,然后给出朗之万方程和速率方程,最后分别给出空腔和原子腔的光压涨落谱、冷却率和稳态声子数.通过光压涨落谱、冷却率和稳态声子数表达式,重点讨论空腔时机械振子的基态冷却,发现当满足最佳参数条件(机械振子的冷却跃迁速率对应光压涨落谱的最大值,而加热跃迁速率对应光压涨落谱的最小值)时,机械振子可以被冷却到稳态声子数足够少.此外分析:当辅助腔内注入原子系综时,若参数选择恰当可能更利于基态冷却.     

非线性光学腔中的相位调制光机械动力学

研究了Fabry-Perot光学腔中包含一个光学参量放大器来增强腔场与机械振子之间的耦合的光机械动力学行为.在解析边带机制下用量子郞之万方程具体研究了振子的涨落光谱、光学多稳态行为、机械阻尼与修正共振频移和基态冷却.通过数值解讨论了辐射压力诱导机械振子和腔场的稳态振幅所展现的光学多稳态行为,同时也分析了辐射压力引起的修正共振频移和机械阻尼与参量增益、输入激光功率和参量相位这三个因素的关系.此外,随着调节泵浦场的参量相位,振子的涨落光谱呈现简正模式分裂.通过精确求解最终有效声子数论证了基态冷却.结果表明,机械振子的冷却由初始浴温度、机械品质因数和参量相位这个三个因素控制.参量相提供一个新的方法来操控非线性光机械动力学.     

非线性光学腔中的相位调制光机械动力学

研究了Fabry-Perot光学腔中包含一个光学参量放大器来增强腔场与机械振子之间的耦合的光机械动力学行为.在解析边带机制下用量子郎之万方程具体研究了振子的涨落光谱、光学多稳态行为、机械阻尼与修正共振频移和基态冷却,通过数值解讨论了辐射压力诱导机械振子和腔场的稳态振幅所展现的光学多稳态行为,同时也分析了辐射压力引起的修...     

双腔光力系统中机械振子的基态冷却

宏观机械系统的量子操控无论是在基础物理学还是在高精度测量和量子信息处理等的应用上都非常重要。其中关键的一步是将机械系统冷却到它的量子基态。本文提出了一个光力系统,该系统包含了两个光学模式和一个与这两个光学模式都发生相互作用的机械模式。此外,这两个腔模还分别由两束光驱动。通过对哈密顿量进行变换以及求解系统的海森堡-郎之万方程,得到了机械振子最终平均声子数的表达式。结合作图发现,这个系统的特殊结构可以实现在不可分辨边带情况下机械振子的基态冷却,所以系统对腔的品质因子要求降低,实验上更容易实现。另外还发现,通过调节驱动光的功率可使得冷却效果达到最好。     

金刚石氮空位色心耦合机械振子和腔场系统中方差压缩研究

研究了金刚石氮空位中心(NV色心)同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩动力学特性,分析了金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩影响.结果发现:可以制备压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态,其物理原因是机械振子具有最大相干性,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,从而在理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式.     

三机械薄膜腔光力系统相互作用的研究

本文主要研究了利用传输矩阵理论和共振透射条件详细地推导光腔中均匀放置三个机械薄膜构成的腔光力系统中系统本征模式随机械运动的色散关系.计算结果发现系统的光学本征模式由一组四个的本征能级构成,且不同的能级随不同的机械运动模式的变化曲线各不相同,进而导致不同光学模式与不同机械运动模式之间的耦合也不相同.此外,利用微扰理论求解了当机械运动振幅远小于腔模波长、机械振子处于平衡位置附近时,各种光学模式与不同机械振动模式间相互作用耦合强度的解析表达式.研究结果能够为理论和实验上研究多模腔光力系统提供一定的参考.     

用于加速度计的硅基拉链光子晶体腔光机系统

基于光子晶体微腔的腔光机加速度计将机械谐振子及高品质因数光子晶体腔相结合，其中的机械振子在机械震荡模式下对微弱力/位移敏感的特性，可以实现极低的噪声水平，理论上能够达到标准量子噪声极限，是高精度加速度计的重要发展方向。对拉链式光子晶体腔光机加速度计的原理和结构特点进行分析，设计了一种应用于加速度计的硅基拉链式光子晶体腔和机械振子结构。分析了拉链腔的结构参数对光学Q值的影响，通过调节结构参数将光腔的谐振频率控制在195 THz附近，并分析了机械振子和光腔的机械谐振特性，光腔的有效质量为30 pg，加上机械振子后有效质量为3.1 ng，光机耦合率达到GHz/nm量级，为基于硅基拉链腔加速度计的制造和表征提供了指导。     

基于磁光力系统的相干光学传输特性研究

提出了一个包含磁振子-声子-光子三者相互作用的磁光力系统,该系统由一个磁振子(钇铁石榴石小球)和一个光学谐振腔构成.在该系统中,利用大量自旋的亚铁磁体的集体运动来表征磁振子,并且磁振子和光子通过磁偶极子相互作用耦合,磁振子和声子通过磁致伸缩相互作用耦合.利用严格的量子光学理论与输入-输出关系理论,研究了该系统中的相干光学传输特性.通过调控该系统中的参数,实现了对输出场的有效调控,为宏观量子现象的研究提供了一个有前景的平台.     

强耦合光机械腔中的简正模式分裂和冷却

研究由辐射压力与驱动Fabry-Perot光学腔相耦合而产生的腔光机械动力学行为. 通过量子朗之万方程具体研究了机械振子的涨落光谱、机械阻尼与共振频移和基态冷却. 随着输入激光功率的增加,振子的涨落光谱呈现简正模式分裂的现象,并且数值模拟结果和实验结果相符合. 同时推导了有效机械阻尼和共振频移. 红移边带导致了机械模的冷却,蓝移边带引起了机械模的放大. 此外,引入一种近似机制来研究振子的基态冷却,并且考虑在解析边带机制下简正模式分裂对机械振子冷却的影响. 最后,数值讨论了初始浴温度、输入激光功率和机械品质因数这三个因素对机械振子冷却的影响. 关键词： 腔光机械 辐射压力 简正模式分裂 冷却     

两模光机械系统中超冷原子的量子相变

Dicke模型(DM)用于描述单模玻色光场与多个全同二能级原子相互作用。本文利用自旋相干态变分法得到两模光机械系统中基态能量的精确解,并通过变分法求得相变点并画出基态相图,并在此基础上研究原子-场耦合强度等系统参数对基态稳定性的影响。通过稳定性讨论,我们发现:原子-光子耦合常数g和光子-声子耦合常量ζ都会对光机械系统的基态特性产生影响。当双模光腔变成单模光腔时,机械振子能诱导超辐射相的塌缩;而且当光子-声子耦合强度大时,超辐射相被完全压制,而直接出现两原子能级之间的转移;存在不稳定的非零光子态,类似于超辐射态。光机械腔中光子-声子耦合诱导的超辐射态的塌缩和复苏是不同于光腔内囚禁的BEC系统,即机械振子不存在时的情况,而双模光腔对量子相变点和相图预期也会有影响。可见,分析机械振子的对多稳性和相关的量子相变的影响是非常有意义的课题。     

双腔光力学系统中输出光场纠缠特性的研究

腔光力学系统中的光辐射压力可以使系统中的各个子系统之间产生量子纠缠,最近在腔光力学系统中的量子纠缠引起了人们广泛的关注.本文研究了双腔光力系统中关于输出光场之间纠缠的性质,发现:此系统中力学振子的弛豫速率和滤波器带宽以及非相等耦合对输出光场之间纠缠的大小有着非常显著的影响,特别是在相等耦合条件下,输出光场中心频率与光腔本征频率近共振时,滤波器带宽对输出光场纠缠有着显著的抑制作用;但是如果采用非相等耦合,则可以有效抵制滤波器带宽对纠缠的抑制作用,使输出光场纠缠得到大幅提高.研究结果可应用在光力耦合系统中实现量子态转换、量子隐形传态等量子信息处理过程.     

双光力诱导透明窗口的可调特性

提出一个杂化腔光力系统理论方案,利用两纳米机械振子间的库仑耦合作用实现弱探测光的双光力诱导透明窗口.研究边带可分辨区域和红失谐情况下双光力诱导透明窗口的可调特性.数值计算表明:两纳米振子间的库仑作用可有效地使单光力诱导透明窗口劈裂为双透明窗口.随着库仑耦合强度的增大,两透明窗口间的距离对称性地拉大;其次,光力腔衰减率的改变对两透明窗口的位置和深度无影响,仅对两透明窗口的宽度产生细微改变,测量精度可在坏腔情形下得到很好的保持;另外,仅增加参量放大器的非线性增益参量将使两透明窗口变宽,而引入驱动参量放大器的光场相位,利用相位匹配可以产生比空腔情形更加狭窄陡峭的双透明窗口,可用于比空腔情况更加精密的测量.     

巨腔系统中的光子屏蔽

随着巨原子研究的展开,量子干涉效应的应用逐步广泛.基于量子干涉效应,利用海森伯-郎之万方程,研究了巨腔与波导耦合系统的相位调控,打破了传统小原子与波导耦合体系中偶极近似的限制.研究表明,通过给系统外加一对相位差为?的驱动,在三腔系统中,当系统达到稳态时,腔阵列波导的中间腔与单模巨腔内的光子数可以实现双向屏蔽.将研究拓展至多腔系统中时,可在不同条件下分别实现巨腔与耦合腔阵列波导的单向和双向屏蔽.基于量子干涉效应的光子调控,该系统可以实现腔的光子数为0,希望在量子器件设计和量子信息处理等领域实现新应用.     

声子色散对量子点中磁极化子性质的影响:压缩态变分法

采用基于逐次正则变换的变分方法研究了利用单模压缩态变换处理双线性项的情况下声子色散对抛物量子点中磁极化子性质的影响。首先,应用位移振子形式的幺正变换来对角化相关的哈密顿量,然后采用压缩态变换来处理在第一次幺正变换中产生的双线性项。计算了在声子色散影响下磁极化子的基态能量及电子周围平均声子数。讨论了在弱耦合情况下,受限长度、回旋频率、电子-声子耦合常数、色散系数分别与基态能量和平均声子数之间的依赖关系。我们可以得到基态能量随受限长度的减小和回旋频率的增加而迅速增大,随着色散系数的增大而降低,平均声子数随着色散系数的增大而减小。     

双光子过程耦合腔系统中光场的量子特性

本文研究了双光子过程原子与耦合腔相互作用系统中腔场的压缩效应和反聚束效应.考虑系统总激发数等于2的情况,利用数值计算方法讨论了腔场间的耦合强度变化和原子与腔场间耦合强度变化对反聚束效应的影响.研究结果表明:腔场不呈现出压缩效应;腔场的反聚束效应与原子与腔场的耦合系数之间,以及与腔场间的耦合系数之间都存在着非线性关系,     

双光子过程耦合腔系统中光场的量子特性

本文研究了双光子过程原子与耦合腔相互作用系统中腔场的压缩效应和反聚束效应.考虑系统总激发数等于2的情况,利用数值计算方法讨论了腔场间的耦合强度变化和原子与腔场间耦合强度变化对反聚束效应的影响.研究结果表明:腔场不呈现出压缩效应;腔场的反聚束效应与原子与腔场的耦合系数之间,以及与腔场间的耦合系数之间都存在着非线性关系.     

原子与弱相干腔场相互作用系统中的量子特性

考虑腔场处于弱相干态的情况,研究了两个全同的二能级原子与耦合腔相互作用系统中原子的偶极压缩和原子间的纠缠特性。研究结果表明,随耦合腔耦合系数增大,原子的偶极压缩减弱。另一方面,随耦合腔耦合系数增大,原子间的纠缠也减弱,这一结果与耦合腔处于真空态的情况相反。     

带腔损耗的参数振子的时间演化和压缩

利用含时波戈留波夫变换与时间演化方程相结合得到的求解别(1，1) h(4)量子系统的时间演化算符和演化态的普遍公式，我们导出了带腔损耗的参数振子在弱耦合近似下的演化算符，态函数和不确定乘积，并讨论了系统的压缩特性。     

光频支声子对二维Heisenberg铁磁系统磁激发的影响

在二维复式正方Heisenberg铁磁系统的基础上建立了磁振子-声子相互作用模型. 利用松原格林函数理论研究了系统的磁激发，计算了布里渊区的主要对称点线上的磁振子色散曲线，比较了光频支声子与声频支声子对系统磁激发的影响以及各项参数的变化对磁振子软化的影响. 发现光频支声子-磁振子耦合对磁振子软化起主要作用，尤其是纵向光频支声子对磁振子软化起更大的作用，并且非磁性离子的光频支声子对磁振子软化的作用比磁性离子的光频支声子对磁振子软化的作用更显著.     

腔光力学研究进展

腔光力学研究光子与宏观机械振子的相互作用，目前已成为研究量子世界与经典世界之间的过渡以及研究非经典和非线性效应的重要领域。本文首先介绍该领域中的基本物理概念，包括辐射压力、光机械哈密顿量、海森堡–朗之万方程、方程的线性化等。然后综述近年来一些新奇光力学效应的发现和研究进展，包括光力诱导透明、非互易光传播、高阶边带产生、光机械纠缠等。最后提出了一些研究展望。