高精细度光学微腔中原子的偶极俘获

利用梯度光场产生的光学偶极力对原子的作用是实现原子俘获的重要途径.分析高精细 度光学微腔中的偶极阱，讨论了由腔内驻波场、侧向和横向约束光构成光学势阱的特性，说 明在高精细度光学微腔中可以产生尺度为亚微米，阱深为mK量级的纯光学阱，并获得单原子 与光场的强耦合作用.还讨论了激光线宽对微腔中偶极阱阱深的影响. 关键词： 光学微腔 偶极俘获 单原子     

光学腔与原子强耦合的实验研究进展

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研究,在单原子与光学腔强耦合和原子系综与光学腔的耦合研究方面取得了重大进展。随着多原子阵列量子操控技术的进步,可控的多原子阵列与光学微腔强耦合系统近年来成为腔量子电动力学的重要研究方向。然而,目前实现确定性可控的多原子阵列与腔的强耦合仍面临巨大的技术挑战,可控原子数还停留在两个。简要回顾了近年来光频区强耦合腔量子电动力学系统在上述方面的主要实验进展和相应的实验方案,并展望了未来的发展。     

含色散介质的一维光子晶体微腔中简正耦合模的物理图像

对一维光子晶体中的色散介质采用洛伦兹振子模型,对线性层及色散δ层均采用传输矩阵的方法,研究了一维含色散介质的光子晶体微腔中的简正耦合模.通过改变洛伦兹振子和微腔之间的失谐频率,分析了简正耦合模频率的变化情况.在失谐频率比较大时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较小,简正耦合模中的一个接近腔模频率,而另一个则接近洛仑兹振子的共振频率;在失谐频率比较小时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较大,简正耦合模与未耦合的腔模频率和洛仑兹振子的共振频率之间的差别较为明显.最后通过引进该结构的复有效折射率,对含色散介质的系统,由于带隙中间的共振模被湮灭并分裂为左右两个耦合模,其复有效折射率虚部在原共振峰处跃变为一较大值,而在新生成的两个耦合模附近趋近于零,光与色散介质相互耦合而形成的腔极化激元的物理图像十分清晰.     

基于原子-腔耦合系统下线宽压窄内腔四波混频信号的产生

本文实验研究了基于原子-腔耦合系统下的内腔四波混频效应。当一束驻波耦合场作用于该复合系统时,实验发现在原子共振频率中心,产生的反射波混频信号无法在腔内形成共振,而当耦合光频率偏离原子共振频率中心时,反射信号能在腔内共振,从而产生线宽压窄的共振输出;进一步实验研究了不同耦合光频率失谐下,腔模失谐对内腔四波混频效率的影响。理论上,基于内腔介质在驻波耦合场驱动下的吸收特性及耦合光泵浦引起的强吸收效应对实验现象进行了定性的分析。     

强耦合腔量子电动力学中单原子转移的实验及模拟

对于强耦合腔量子电动力学系统中以自由下落方式转移原子与腔模强耦合作用过程进行了实验研究,并在理论上利用蒙特卡罗方法对整个实验过程进行了模拟.根据模拟的高精度光学微腔实时记录的原子穿腔信号,获得了原子与腔模相互作用以及冷原子的参数等基本信息,包括不同初始条件下原子与腔模相互作用时腔的透射谱、单个原子在腔内的驻留时间、原子到达腔模时刻的概率分布以及原子到达腔模的动能分布等,并作为对比给出了相应的实验结果.基于模拟结果,实验上建立了腔内光学偶极阱来俘获单个原子,测量的单原子的腔内俘获寿命达到5 ms,比自由穿越时延长了约30倍.该研究对于原子-腔受限空间内,以自由下落方式转移原子以及原子与腔的耦合过程给出详细的分析,有助于对类似实验结果的分析和系统参数的优化.     

光学耦合腔中类电磁感应透明现象的实验研究

光学耦合腔可以模拟原子系统中的电磁感应透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)效应.采用分离光学腔镜建立耦合腔,该系统易于调节腔的各种参数.通过改变中间耦合腔镜的不同透射率,实验测量了两耦合腔的反射谱,观测到两耦合腔由于经典相消干涉产生的类EIT现象.由于该系统简单灵活,可用于慢光速和超光速的实验研究.     

光学偶极俘获及单量子测量

对目前的腔QED系统实现强耦合的条件进行了讨论.主要内容包括:获得强耦合的一般条件,我们目前的可能达到的最好结果分析:不同腔组合可能达到的参数,与量子点、光子晶体、纳米腔以及微球腔QED的比较;单原子(单光子)测量的基本过程:单原子辐射的基本特点,非经典性的测量,包括差拍测量,光子统计特性的分析.不同单光子量子态(或多光子量子态)在采用HBT实验测量中的修正等问题.对热光和相干光的初步实验对比证实了理论模型.原子操控的进展:铯原子光学偶极俘获,最近的实验结果,利用CCD荧光探测对偶极阱的测量结果.     

光学反馈线性腔衰荡光谱技术不确定性

腔衰荡光谱技术是一种高灵敏的腔增强分子吸收光谱测量技术,由于激光频率噪声大,导致激光到腔耦合效率低,严重限制了其对痕量气体的探测灵敏度.光学反馈可以有效压窄半导体激光器的线宽,提高激光到外部谐振腔的耦合效率.本文基于精细度为7800的Fabry-Pérot腔,发展了光学反馈线性腔衰荡光谱技术.首先从光场相位的角度给出了线性腔光学反馈的原理,然后分析了影响测量不确定性的因素,包括光学反馈率、衰荡信号触发阈值、探测器相对透射汇聚光斑位置等.实验结果表明,通过设置低反馈率(3%自由光谱区间)、高衰荡信号触发阈值(90%腔模幅度)以及将光斑聚焦到探测器有效面中心等措施,结合光学反馈效应,可将空腔衰荡时间的相对不确定度提升至0.026%,远优于传统腔衰荡技术获得的典型值.系统在积分时间为180 s时,获得探测灵敏度为1.3×10^–10 cm^–1,对应甲烷的最小可探测吸收体积浓度为0.35×10^–9,从而满足了碳监测的要求.     

微环芯腔与锥形纳米光纤耦合过程的实验研究

在实验上研究了共振于铯原子跃迁线附近的微环芯腔与锥形纳米光纤的耦合特性。通过精密控制微环芯腔与锥形纳米光纤的相对位置,实现了两者的欠耦合、临界耦合和过耦合的精确控制。当微环芯腔与锥形纳米光纤间距为0.6μm时,系统达到临界耦合,透射率为0.3%±0.3%,耦合效率为99.7%±0.3%。由微环芯腔透射光谱得到微环芯腔的自由光谱区为1067±5GHz,等效腔长为223±1μm,线宽为2.9±0.1GHz,本征品质因数为(6.2±0.6)×10~4。随着微环芯腔与锥形纳米光纤间距的减小,微环芯腔的线宽逐渐增大,共振频率发生红移,频率移动为19.2±0.1GHz。该研究找到了有效控制微环芯腔与锥形纳米光纤耦合状态的方法,为下一步实现微环芯腔与原子间强耦合奠定了实验基础。同时该研究加深了人们对微环芯腔不同耦合状态的认识,为研究欠耦合和过耦合状态提供了实验基础。     

内腔多原子直接俘获的强耦合腔量子力学系统的构建

腔内中性原子的长时间控制与俘获一直是腔量子电动力学(QED)中的一个难题,极大地制约了人们相干操控单原子及其与光相互作用的研究.基于传统Fabry-Perot光学腔,设计了一套易于内腔原子操控的强耦合腔QED系统,其典型参数为:腔长3.5 mm精细度约为57000,(g0,κ,γ)=2π×(1.48,0.375,2.61)MHz,临界光子数和原子数分别为1.54和0.89.该系统的特点是:能够在腔内直接实现冷原子磁光阱,并建立腔内光学晶格,实现腔内可控数目的中性原子的长时间俘获.通过合理选择构建光学偶极阱和原子成像系统,可实现对腔内单个原子或原子阵列的操控、探测、成像等.该系统可以克服传统腔QED系统中转移原子的困难,大幅增加腔内原子的寿命,为构建以腔QED系统为基础的量子信息演示平台提供了一种可能.     

基于谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计及性能分析

提出了一种具有超薄有源层的谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计方法,利用谐振腔结构可以将光场限制在腔内,有效增强探测器的吸收.通过研究谐振腔内光场谐振条件及谐振模式下探测器响应度增强的机理,建立了驻波效应下谐振腔增强型石墨烯光电探测器光吸收模型,仿真分析谐振腔反射镜反射率、谐振腔腔长对于腔内光场增强器件性能的影响.理论分析表明,谐振腔增强型石墨烯光电探测器在850 nm处响应度可达0.5 A/W,相比无腔状态下提高了32倍;半高全宽为10 nm.采用谐振腔结构能够提高石墨烯光电探测器件的光电响应,为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了途径.     

电致发光色纯性增强的硅基有机微腔

报道了硅基有机微腔的电致发光（EL）.该微腔由上半透明金属膜、中心有源多层膜和多孔硅分布Bragg反射镜（PS DBR）组成.半透明金属膜由Ag（２０nm）构成，充当发光器件的负电极和微腔的上反射镜.有源多层膜由Al (1 nm) / LiF(05 nm) /Alq3/Alq3:DCJTB/NPB/CuPc/ITO/SiO2组成，其中的Al/LiF为电子注入层，ITO为正电极，SiO2为使正、负电极电隔离的介质层.该PS DBR是采用设备简单、成本低廉且非常省时的电化学腐蚀法用单晶Si来制备的；该PS 关键词： 电化学腐蚀 电致发光 窄峰发射 硅基有机微腔     

Atom detection and photon production in a scalable, open, optical microcavity

A microfabricated Fabry-Perot optical resonator has been used for atom detection and photon production with less than 1 atom on average in the cavity mode. Our cavity design combines the intrinsic scalability of microfabrication processes with direct coupling of the cavity field to single-mode optical waveguides or fibers. The presence of the atom is seen through changes in both the intensity and the noise characteristics of probe light reflected from the cavity input mirror. An excitation laser passing transversely through the cavity triggers photon emission into the cavity mode and hence into the single-mode fiber. These are first steps toward building an optical microcavity network on an atom chip for applications in quantum information processing.     

一种新型光学微腔的理论分析

应用波动光学理论,分析了一种新型锥顶柱状光学微腔的本征模式,得到了谐振腔的谐振波长表达式.在谐振波长1550 nm附近进行了设计与仿真优化,优化结果显示新型谐振腔与传统平行腔相比,在腔长为4512.5 nm,直径为3134.4 nm时,其品质因数可以提高22.4%,达到了49928.5,同时谐振腔的有效模式体积减小了47.8%.     

高精细度光学参考腔的自主化研制

高精细度超稳光学参考腔是获得超窄线宽激光的核心部件.本文报道了面向空间应用的高精细度球形超稳光学参考腔自主化研制及其初步测试结果.设计球形腔体直径为80 mm,腔长78 mm,采用平-凹腔镜结构,凹镜曲率半径为0.5 m.使用有限元方法计算了该参考腔的震动敏感度,最佳支撑位置的震动敏感度小于1×10~(-10)/g.采用超光滑表面三级抛光技术实现光学表面粗糙度小于0.4 nm(rms)的超精密加工,采用双离子束溅射法实现工作波长反射率大于99.999%、损耗小于4 ppm腔镜镀膜,干式光胶方法键合腔体和腔镜.利用扫腔线宽法和腔衰荡法对参考腔的线宽和精细度进行了测量,结果表明该参考腔的精细度约为195000,线宽为9.8 kHz.将698 nm半导体激光器锁定到该参考腔上测得其损耗5 ppm.与实验室进口同类型参考腔相比较,主要性能指标与其相当.     

Realization of mode independent multichannel transmission filter by controlling the photon localization in symmetric cavities

Modern optical communication system requires multiple channel transmission in different spectral band for different applications. Here we are proposing a microresonator structure for closely spaced, mode independent multiple channel transmission in 3rd transmission window by controlling the localization of photons in its cavity. To design the proposed structure, the spectral filtering properties of a single cavity planar microresonator are studied initially. In conventional multilayer dielectric filter, the localization of light in the microcavity is generally controlled by controlling the number of layers. Here we have shown that application of electric field across the structure, designed with suitable materials can also affect the localization of light in the cavity as well as the Q values of the transmission spectra. The mode independent characteristic of the structure is found from the study of its transmittance characteristics at different angle of incidence of light. It is found that the results of single cavity structure hold well for multicavity resonator structure also, in the regime of optical communication wavelength range. A method to increase the number of transmission channels is also proposed here keeping the fabrication perspective in mind.     

Optical coherence of planar microcavity emission

An analytical expression for the self-coherence function of a microcavity and a partially coherent source is derived. Excellent agreement is found between the model and the experimental measurements from two resonant-cavity light-emitting diodes. The variation of coherence length as a function of numerical aperture is examined and indicates that the variable coherence properties of planar microcavities are determined by the underlying coherences of the microcavity and the source. Furthermore, coherence-length variations approaching a factor of five can be achieved by engineering the cavity finesse.     

各向异性外腔微片Nd:YAG激光器调频回馈研究

研究了在各向异性外腔下微片Nd:YAG激光器调频回馈特性.作为对比,首先给出了在各向同性外腔下调频回馈结果,激光器输出功率的半波条纹数正比于外、内腔长度之比.在回馈外腔中内置一个四分之一波片,激光偏振态发生规律性跳变,每个纵模带宽内的偏振跳变次数正比于外、内腔长之比,相同外腔长下,回馈条纹再次倍频.进行了基于法布里-珀罗腔等效模型的理论分析,结果和实验相符合.此现象在精密测量领域有潜在应用. 关键词： 光回馈 调频回馈 各向异性外腔 半波条纹数     

调频微片Nd:YAG激光器光回馈特性的研究

研究了调频微片Nd：YAG激光器的光回馈特性.在没有光回馈的情况下，激光频率每改变一个纵模间隔，激光器输出功率变化一个条纹.有光回馈时，同时改变激光频率和外腔相位，激光器输出功率波动频率正比于内、外腔长度之比.基于三镜腔等效模型的理论分析和实验结果相符合.并且讨论了这一现象在精密测量领域的潜在应用.     

High finesse opto-mechanical cavity with a movable thirty-micron-size mirror

We report on the demonstration of a high finesse micro-optomechanical system and identify potential applications ranging from optical cooling to weak force detection to massive quantum superpositions. The system consists of a high quality diameter flat dielectric mirror cut from a larger substrate with a focused ion beam and attached to an atomic force microscope cantilever. Cavity ring-down measurements performed on a 25 mm long Fabry-Pérot cavity with the 30 microm mirror at one end show an optical finesse of 2100. Numerical calculations show that the finesse is not diffraction limited and that orders of magnitude higher finesse should be possible. A mechanical quality factor of more than 10(5) at pressures below 10(-3) mbar is demonstrated for the cantilever with a mirror attached.