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。     

透明软质薄膜的表面形貌测量

为了实现光刻胶表面形貌的广域、高精度测量,对新一代测量理论及测量方法进行了研究。首先分析了被测物件的特性,根据其柔软、透明的特征提出应用光干涉法和机械探针相结合的方法进行测量,同时阐明了使用此方法进行表面形貌测量的优点,并据此原理搭建了光学多探针表面形貌测量装置,光学测量部分采用白光干涉计,探针部分采用拥有8只球型探头的多点悬臂测量探针。然后应用此装置对标准刻槽试件和半透明光造型薄膜试件进行了测量。测量52 nm的标准刻槽试件时得到了测量误差小于2%,标准偏差小于1 nm的结果,表明本装置可以达到高精度测量表面形貌的目的。通过测量高约400 nm的树脂材料证实了此装置可以克服多重反射的影响测量透明薄膜的表面形貌。     

光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测,实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术,是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外,还具有信号只跟样品光吸收有关,不受散射光影响,零背景, 信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和国防危化品检测等领域得到了越来越多的应用,呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术,近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍,并分析了其应用前景和未来发展趋势。     

抛物面反射镜光轴的确定

介绍了一种确定抛物面反射镜光轴的新方法。当抛物面反射镜绕着机械旋转轴旋转时,利用2束平行光(一束与机械旋转轴平行的光和一束与机械旋转轴成一定角度的斜平行光)经抛物面反射镜反射的像点运动,调整抛物面反射镜的位置,使光轴与机械旋转轴重合。理论分析结果表明：其定轴的倾斜误差不大于1′,平移误差不大于5μm。该方法可用于抛物面反射镜检验,也可用于抛物面反射镜的调校工艺中。     

全光型硅微机械流量传感器初探

介绍一种新颖的全光型硅微机械流量传感器。给出该传感器结构及工作原理的理论分析，并阐述传感器样品的测试及结果。流量传感器具有带脊型波导的悬臂结构。悬梁用作器件的敏感区，而检测光束可以在脊型波导中传输。     

微纳米尺度红外光热膨胀效应及新型光热驱动方法研究

介绍了一种新型的基于非对称结构的光热微型驱动器.驱动器由两个宽细不同的薄悬臂组成.当红外激光照射在悬臂上时,宽窄悬臂的比表面积不同,导致其温度升高和伸长量不同,从而使驱动器产生偏转.建立了驱动器的热力学模型,并给出了偏转量的计算公式.使用准分子激光加工系统制作了一个长750μm的微驱动器样机,红外激光(998nm)作为驱动源,利用自制的控制监控系统进行了可行性试验,观察并测量了驱动器偏转量与红外激光功率的关系.结果表明,本驱动器在16mW的红外激光的驱动下,即可产生258μm的偏转量.利用光热膨胀的方法 关键词： 光热膨胀 非对称结构 微驱动器 红外激光     

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.     

基于三拉盖尔高斯腔的机械振子基态冷却研究

将机械振子冷却到基态是实现机械振子量子操控的关键。利用电磁感应透明冷却法,研究了边带不可分辨区域中三拉盖尔高斯腔光力学系统的机械振子基态冷却。在该系统中,两个附加腔场分别与标准的腔光力学系统中的腔场发生了耦合。通过选择系统的最优参数,光学涨落谱从洛伦兹线型变成类似三能级原子系统中电磁诱导透明谱线的形式,冷却和加热速率的不对称使得机械振子被冷却到基态。研究结果为三拉盖尔高斯腔系统中机械振子的冷却提供了理论参考。     

双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却研究

机械振子的冷却是腔光力学研究的重要方向之一。计算光力噪声谱和稳态的最终声子数,对基于耦合光学参量放大器（OPA）的双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却问题进行研究。在弱耦合条件下,利用微扰近似理论方法得出系统的光力噪声谱,基于费米黄金法则的理论计算出稳态下的最终声子数的解析表达式。利用入射泵浦光驱动腔场内耦合的OPA,使腔场内形成强烈的非线性压缩效应,量子反作用加热过程得到有效抑制,系统净冷却率得到显著提高。此外,讨论了其他系统参数对机械振子冷却的影响。最后研究了系统的稳态声子数,声子数可以在较大参数范围内小于1。该方案能有效地降低机械振子的冷却极限。     

基于高阶谐振悬臂的动态原子力显微镜的研制

动态原子力显微镜微悬臂为无限自由度系统,具有多个谐振模态的振动特性。微悬臂的工作振动频率是影响动态原子力显微镜系统的测量特性的关键参数之一,为了提高微悬臂的谐振频率,结合悬臂的高阶谐振特性,研制了基于高阶谐振悬臂的轻敲式动态原子力显微镜,可实现对微观表面的测量,并且明显改善了动态原子力显微镜系统的测量灵敏度、测量速度等测量特性。     

激光光镊技术及其应用

 传统的机械镊子夹持物体时必须用镊尖接触到物体，然后施加一定的压力，物体才会被钳住，而光镊则不同，它是基于光的力学效应使物体受到光束的束缚从而达到钳制的效果，然后通过移动光束来迁移或翻转物体。与机械镊子相比，光镊是以一种温和的非机械接触的方式来夹持和操纵物体，能够无损伤地实现对微小的活细胞以及纳米量级的颗粒进行捕获与操作。光镊的发明给人们研究微观世界提供了一种新的手段，可以预言，在纳米科技和生命科学迅速发展的21世纪，做为这两个领域得力工具的光镊技术必将具有光明的应用前景，成为本领域科学研究不可或缺的技术手段之一。     

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。     

量子点系统中纳米机械振子诱导的光开关

当一个受单色控制场驱动的二能级量子点与单个纳米机械振子相互作用时,作用于此固态量子点系统的弱探测场展现了可调的光开关行为。研究结果表明,当控制场失谐地作用于量子点系统时,改变量子点与纳米机械振子的耦合强度可以有效地实现光开关。同样地,在纳米机械振子的作用下,光开关的行为也可以通过改变控制场的拉比频率来获得。最根本的物理机制是纳米机械振子的耦合建立了量子点的辅助能级,进而控制场诱导了电磁感应透明现象。方案所采取的固态量子系统对宏观量子态有着极其重要的影响,同时这种固态耦合系统的光学开关效应,在光学通信、光子学和非线性光学领域中有着潜在的应用。     

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。     

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.     

结构应力耦合的微悬臂阵列

微悬臂器件被广泛应用于力学显微镜和光力学研究中,实现微悬臂之间的耦合在高精密测量和量子声子网络构建方面具有重要的应用前景。不同于通过电、磁相互作用实现微纳共振器之间耦合的方法,设计并制备了通过结构应力实现耦合的微悬臂阵列。模拟和实验结果表明,这种结构应力耦合微悬臂阵列不仅可以获得较大的耦合强度和较高的力学性能,同时悬臂之间的耦合强度也容易控制。对于其它形式的微纳共振器,同样可以利用结构应力耦合这种方法来实现共振器之间耦合的阵列。     

微机电光开关

对微机械光开关的特点和应用作了简要的论述 ,并对近年国外几种典型微机械光开关的结构、原理和研制方法作了简要的介绍和评述。这类新型的开关器件的主要优点是串话小 ,插入损耗小 ,消光比高 ,对波长和偏振不敏感 ,且体积小 ,造价低等 ,在光纤通信和光纤测试系统中具有广阔的应用前景     

光激光拾自谐振传感器的光学特性及优化设计

建立了光激、光拾自谐振多晶硅微机械传感器的多层膜系模型,利用该模型对传感器的光学特性进行了理论分析,并对传感器谐振微梁厚度和空腔高度进行了优化.     

数字微反射镜的机械光学特征研究

概述数字微反射镜装置（DMD）和数字光处理技术（DLP）的工作原理。分析DMD的机械光学特征。     

新颖的微流控电调谐空间光开关

提出了一种微流控电调谐非机械空间光开关器件,该器件的基本形式为"光输入阵列+光交换空间+光输出阵列"的结构,采用"水/油/水"液体棱镜作为偏光控制单元.在特定电压范围(30～110V)内,通过电润湿效应作用的液体棱镜光束偏转角可在约-15°～15°之间连续可调.由此可构造多种平面甚至立体光开关阵列.