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.     

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     

在光学相关器中测试滤波空间光调制器的相位调制特性

研究了在范德卢格特型光电混合相关器中,利用朗奇光栅图像替代实物光栅测试滤波空间光调制器相位调制特性的原理和方法.对XGA2L11型空间光调制器的相位调制特性进行了现场测试,并对测试结果进行了误差分析和光学相关实验验证.结果表明,该方法不需要单独构建测量装置而是完全在相关器的工作状态下测试,保证了空间光调制器的特性测试结果和实际工作性能的一致性.     

偏频技术锁定压缩光产生中的光学参量振荡腔

为了解决机械振动、空气流动等外界因素引起的光学参量振荡腔的不稳定问题,利用偏频锁定技术稳定光学参量振荡腔.首先从理论上分析偏频锁定点的选取与压缩度的关系,得出透射峰值一半的位置为最佳锁定点.然后在实验上实现了光学参量振荡腔的锁定,并对锁定后的光学参量振荡腔进行了稳定性测量.实验结果表明,光学参量振荡腔的腔长在2h以内的锁定精度为7.27nm,最长稳定时间可达3.8h,能够满足对压缩光的探测需要.     

基于光注入下电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带光学频率梳

数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案。在该方案中,首先采用调制频率f_m=f_0/n(f_0为1 550nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1 550nm垂直腔面发射激光器,使该1 550nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳。基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性。仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1 550nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6mA)偏置在11.5mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80GHz的光学频率梳。     

基于相位调制和线性滤波的多信道多功能光学微分器

多功能微分器可以满足光计算和光信号处理中的多种需求, 增强灵活性. 本文从理论上推导了一种基于相位调制和线性滤波的多功能光学微分器. 并在实验中, 将传输谱线近似为线性的光纤延时干涉仪(DI)和相位调制器级联, 得到了输入信号的两种微分结果. 通过调节DI的驱动电压调节其传输谱的漂移, 当光载波位于DI的传输谱线的谷值, 则获得信号的光场微分, 当光载波位于DI传输谱的线性斜率处, 则得到输入信号的光强微分. 通过分析各种微分的平均误差, 发现DI的线性度越高, 平均误差越小. 同时基于DI传输谱线的梳状特性,证实了多信道信号的同时微分.     

光学微腔中少光子数叠加态的耗散动力学

通过考察耗散光学腔中少光子数叠加态的Wigner函数随时间 的变化行为, 揭示其非经典特性的动力学演化. 结果表明, 初始时Wigner函数为负的少光子数叠加态, 在耗散过程中其负性逐渐减小 直至消失, 并最后达到一个稳定的正值. 但这并不意味着耗散量子态非经典特性的完全消失. 实际上, 作为非经典特性的另一个重要参量, 光子的二阶关联函数g⁽²⁾(0) (g⁽²⁾(0)<1意味着光子是非经典地反聚束) 是一个耗散动力学不变的物理量. 我们证明, 光子的二阶反关联函数g^(2A)(0)却是一个随着耗散而改变的物理参量, 从而可以用于描述光学微腔中光量子态的耗散动力学行为. 最后, 我们给出一个在实验上如何制备少光子数叠加态并对其Wigner函数进行探测的方案.     

利用法布里-珀罗腔抑制电光相位调制中的剩余幅度调制

激光经电光相位调制后,由于剩余幅度调制的存在造成调制边带幅度不相等。利用法布里-珀罗腔的透射特性和Pound-Drever-Hall技术对通过法布里-珀罗腔的调制光正、负一级边带的幅度产生不同的衰减,使得调制边带的幅度相等,从而实现对电光相位调制中剩余幅度调制的抑制。采用该方法,理论上计算了调制光经法布里-珀罗腔后的光外差光谱信号,获得锁定法布里-珀罗腔后调制边带幅度的不对称度较腔锁定前减小四个数量级。实验研究了调制光经法布里-珀罗腔透射的光外差光谱,结果表明将法布里-珀罗腔锁定于该透射光外差光谱中心零位时,对剩余幅度调制的抑制程度可达45 dB。     

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。     

Opto-Mechanical Effects in Superradiant Light Scattering by Bose-Einstein Condensate in an Optical Cavity

We investigate the effects of a movable mirror (cantilever) of an optical cavity on the superradiant light scattering from a Bose-Einstein condensate (BEC) in an optical lattice. We show that the mirror motion has a dynamic dispersive effect on the cavity-pump detuning. Varying the intensity of the pump beam, one can switch between the pure superradiant regime and the Bragg scattering regime. The mechanical frequency of the mirror strongly influences the time interval between two Bragg peaks. We find that when the system is in the resolved side band regime for mirror cooling, the superradiant scattering is enhanced due to coherent energy transfer from the mechanical mirror mode to the cavity field mode.     

光纤中基于交叉相位调制的超短光脉冲串的产生

提出一种在单模光纤正常色散区由连续波产生超短光脉冲串的新方法，即让连续波和一个波长位于光纤正常色散区的调制脉冲串在光纤中同时传输，交叉相位调制效应和群速度色散效应的相互作用能使连续波演化成一串超短光脉冲，其脉冲宽度比调制脉冲串中的脉宽要小得多，本文还通过计算机模拟，对这一方法进行了全面的考察和分析。结果表明，该方法不仅实用，而且可取得较好的效果。     

Normal mode splitting in hybrid BEC-optomechanical system

We consider an opto-mechanical cavity system consisting of Bose-Einstein condensate (BEC), trapped inside the optical cavity and driven by single mode laser field. The intracavity field acts as nonlinear spring which couples the condensate mode with moving end mirror of the cavity. We study the occurrence of normal mode splitting in the position spectra of the mechanical oscillator and condensate mode as a consequence of hybridization of the fluctuations of intracavity field, mechanical mode and condensate mode. We also discuss the modification in the dynamics of the mechanical oscillator due to frequency of the collective oscillations of cold atoms and the back action of the atoms on the mechanical mirror. Moreover, we investigate the normal mode splitting in the transmission spectrum of cavity field.     

Optical levitation of nanodiamonds by doughnut beams in vacuum

Optically levitated nanodiamonds with nitrogen‐vacancy centers promise a high‐quality hybrid spin‐optomechanical system. However, the trapped nanodiamond absorbs energy from laser beams and causes thermal damage in vacuum. It is proposed here to solve the problem by trapping a composite particle (a nanodiamond core coated with a less absorptive silica shell) at the center of strongly focused doughnut‐shaped laser beams. Systematical study on the trapping stability, heat absorption, and oscillation frequency concludes that the azimuthally polarized Gaussian beam and the linearly polarized Laguerre‐Gaussian beam LG₀₃ are the optimal choices. With our proposal, particles with strong absorption coefficients can be trapped without obvious heating and, thus, the spin‐optomechanical system based on levitated nanodiamonds are made possible in high vacuum with the present experimental techniques.

     

基于快速扫描光学延迟线谐振扫描的相位调制方法

提出利用快速扫描光学延迟线(Rapid Scanning Optical Delay Line,RSOD)作为光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)系统的相位调制器,并采用正弦驱动方式(谐振扫描)来提高扫描频率,进而实现高频相位调制的方法.介绍了基于RSOD相位调制器的干涉信号包络解调方法,分析了大振镜低频率线性驱动、小振镜高频线性驱动和大振镜高速正弦驱动三种实施方案对OCT性能的影响,并针对谐振扫描方案中轴向扫描的非线性提出了图像畸变定量校正的方法.结果表明:RSOD大振镜谐振扫描的模式能够兼顾系统成像速度、成像范围以及系统信噪比的要求,是一种行之有效的相位调制方法.     

Optical Microwave and Millimeter Generation by Using Birefringent Fiber FP Cavity with Pulse Laser Injection

A novel optical microwave and millimeter generation by using single mode fiber FP cavity (SMFFPC) with pulse laser injection is proposed and experimentally demonstrated. The frequency of output signal is determined by the birefringence degree of the SMFFPC, a general relationship between output signal frequency of SMFFPC and birefringence degree of single mode fiber is derived. The proof of concept device consists of a light source, a polarizer controller, a modulator, a RF generator, a single mode fiber Fabry-Perot cavity, a strain inspector, an erbium doped fiber amplifier, a filter, a polarizer, and a digital communication analyzer. The results demonstrate the new concept of optical microwave and millimeter generation and the technical feasibility.     

The occurrence of multistability and normal mode splitting in an optomechanical system

We provide a theoretical technique to study the occurrence of multistability and normal mode splitting in an optomechanical system driven by a single mode cavity field. For this purpose, we consider the position-dependent mass mechanical resonator (PDMR) which produces the nonlinearity in the system. This shifts the system from monostable to bistable regime and bistable to a multistable regime at different conditions of the nonlinearity. Further, we use the Fourier transform technique to find out the fluctuation in the position of the nano-mechanical resonator and their energy spectrum as well. Moreover, we used the input-output theory to analyze the transmitted field spectrum as well as x and y quadratures spectra of the output field. We explain the effect of the non-linearity on the normal mode splitting of the former and later spectra. In addition, we also explain the normal mode splitting as a function of cavity decay rate and laser power, respectively.     

低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究

采用射频磁控溅射镀膜系统,在玻璃衬底上制备了非晶硅(α-Si)/铝(Al)复合薄膜,结合氮气(N₂)气氛中低温快速光热退火制备了纳米晶硅(nc-Si)薄膜;利用光学显微镜、共焦光学显微仪、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射光谱(Raman)仪和紫外-可见光-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米晶硅薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征,研究了退火工艺对薄膜性能的影响。结果表明： 300 ℃,25 min光热退火可使α-Si/Al膜晶化为纳米晶硅薄膜,晶化率为15.56%,晶粒尺寸为1.75 nm;退火温度从300 ℃逐渐升高到400 ℃,纳米晶硅薄膜晶粒尺寸、晶化率、带隙逐渐增加,表面均匀性、晶格畸变量逐渐减小;退火温度从400 ℃逐渐升高到500 ℃,纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶化率继续增加,带隙则逐渐降低;采用纳米晶硅薄膜的吸光模型验证了所制备的纳米晶硅薄膜的光学特性,其光学带隙的变化趋势与吸光模型得出的结果一致。