面向悬浮光力系统的集成化反馈控制器研究

悬浮光力系统具有高灵敏度、高稳定性和低耗散等特点,有望发展成为新型高性能力学传感器。针对目前悬浮光力系统存在的反馈控制器兼容性差、软硬件成本高、集成度低等问题,提出了一种兼容多种反馈控制模式的软硬件设计方案,并研制了一套高度集成的反馈控制器,在160 mm×170 mm×42 mm的尺寸上集成了六通道模数/数模转换器、滤波器、现场可编程门阵列+微处理器(FPGA+ARM)等功能模块,并且开发了基于数字锁相环和比例积分微分(PID)控制器的控制算法,最终在同一套硬件系统上实现了跨尺度微粒的运动信息采集和反馈控制,以及数十赫兹至亚兆赫兹的感知带宽。实验结果表明,该集成反馈控制器能够实现超高真空(10-6 Pa量级)下亚微米及微米尺度微粒的稳定悬浮和运动控制。在扩展系统感知带宽的同时减小了整体体积,为悬浮光力传感技术的器件化奠定了基础。

双腔双光力系统中的光非互易传输特性

光学非互易器件是光学系统中重要的组成部分,例如光隔离器.为了提高这类器件的隔离特性,提出一种双腔双光力系统,系统以两种大小不同的光力耦合强度分别与两光学腔相耦合.该系统在红失谐场的驱动下,通过调控相位差既可以实现光非互易现象,又能决定光在系统中透过与隔离的方向,这种性质来源于光力耦合相互作用和光学腔模耦合之间的量子干涉效应.研究过程中把系统中相关算符用其平均值加各自的相对涨落值来表示,然后由涨落值利用输入-输出关系得到系统的传输振幅,进而得到系统隔离率.讨论了系统隔离率随光力耦合强度变化的分布情况,发现两个力学振子的共同作用能使系统有更高的容错率.该系统通过选用一个品质因数更高的力学振子,能够实现两种特定频率光的较大隔离率,并且同时能够保证共振频率信号的反向传输.

多模光力系统中光力诱导透明引起的慢光效应

提出了一种多模光力系统,该系统由一个光学腔与两个机械振子相互作用,研究了在不同失谐条件下探测透射谱的行为.在蓝失谐条件下,探测光谱经历了光力诱导吸收到参量放大的过程,并且得到过程中的临界泵浦功率.在红失谐条件下,研究系统中的光力诱导透明和法诺共振以及相位色散的变化,比较不同的光机械耦合强度关系、频率关系和失谐的结果.数值结果表明,通过控制两个振动镜的频率关系,探测光的透射强度曲线经历了从法诺共振到光力诱导透明的一系列变化.由于探测光的透射窗口伴随着快速的相位色散变化,会导致群延迟,进一步讨论由光力诱导透明引起的慢光效应,提出了可以通过改变腔与泵浦失谐来控制快、慢光的传播;该系统中的光学延迟可以达到毫秒级.基于阵列结构的多模光力系统将在减缓和存储光脉冲中有潜在的应用前景.

矢量腔光力系统中光传输特性研究

在腔光力系统中,光场与力学振子间的相互作用可以产生丰富的非线性光学现象。该文研究了矢量腔光力系统中光的传输特性。入射光中包括线偏振的控制光和探测光,通过求解系统的海森堡-朗之万方程得到探测光透射率。调节控制光偏振角度可以改变腔场双稳态出现的位置和腔内光子数。当探测光与控制光之间的夹角从0°变为90°时,探测光的透射率从1变为0。此外,当失谐量一定时,改变控制场的功率,探测光群延时会在正负之间转换,即探测光的传播速度在快光和慢光之间转换。当控制场功率一定时,改变探测光与控制光之间的夹角可以使探测光群延时的大小和正负发生变换,从而使探测光的传播速度在快慢光之间转换。

里德伯原子辅助光力系统的完美光力诱导透明及慢光效应

光力诱导透明是典型的量子相消干涉效应,在量子光学和量子信息处理当中具有广泛的应用.本文在里德伯原子系综镶嵌的复合光力学系统中考察了光力诱导透明现象以及由此产生的慢光效应.当考虑非旋转波近似的情况下,可以获得完美的光力诱导透明,即非常狭窄的理想透明窗口.在可分辨边带条件下,微腔品质越高,完美透明窗口中的慢光效应越明显.特别地,与其他原子相比,在实现超慢光方面里德伯原子的长寿命体现了其优越性.

原子-光力混合系统的机械压缩和纠缠研究

传统光力系统中产生强机械压缩一般需要光场衰减率小于机械振子频率(可分辨边带条件),在实验室极难实现。针对光力系统在高不可分辨边带(光场衰减率远大于机械振子频率)条件下产生强机械压缩及稳态纠缠问题,提出利用两个两能级原子系综和两束不同强度激光共同调制光力系统,放宽可分辨边带条件的限制。研究结果表明:将两个原子系综放入光力学系统中,即使在高不可分辨的边带状态下,也能实现超过3 dB的强机械压缩;光场和机械振子之间的稳态纠缠也可产生。

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.

原子辅助光力系统中快慢光的量子调控

随着纳米科技以及半导体技术的迅猛发展,光力诱导透明、快慢光和光存储以及其他在光力系统中发现的量子光学和非线性光学效应成为人们目前研究的热点.本文将薄膜腔光力系统同被束缚在腔中的二能级冷原子系综相耦合,通过直接在薄膜振子上引入弱辅助驱动场来研究该原子辅助光力系统中原子和相位对量子相干性质及其快慢光的调控.经过分析发现,通过改变辅助驱动场的强度可直接实现对光力诱导透明窗口深度的调控,通过改变辅助场与探测场之间的相位差,可实现输出的探测场在"吸收"、"透明"和"增益"之间相互转换,进而对弱探测场进行动态调控实现光开关.与此同时,还发现系统的群延迟时间随相位差的改变呈周期性变化.通过调节相位差及原子数,不但可以改变群延迟时间,还可实现快慢光之间的相互转换.

腔光力系统制备微波非经典态研究进展

腔光力系统作为一种新型的混合量子系统,因其超强耦合度、低温超导条件下极低的噪声、较长的相干时间等优势而成为被广受关注的量子实验平台.本文简要介绍腔光力学及腔光力系统基本原理,对常见腔光力系统进行分类,详细介绍利用广义腔光力系统进行微波非经典量子态制备的相关进展,对其性能优势和待解决问题进行分析,最后总结相关应用场景并对未来的潜在应用领域进行了展望.

多模光力系统中的非传统声子阻塞

本文提出在多模光力系统中实现声子阻塞.多模光力系统由一个机械模和两个光学模组成.研究发现,当光学模与机械模同时受到外加驱动场作用时,即使在弱光力耦合条件下也可以实现声子阻塞效应,即非传统声子阻塞效应;给出了非传统声子阻塞效应出现的最佳条件.另外,发现通过调节外加驱动场间强度的比值和相位差可以控制声子的统计性质,这为实现可控的单声子源提供了一个有效方法.最后,讨论了热声子对非传统声子阻塞的不利影响,发现适当提高驱动场强度有利于观测非传统声子阻塞效应.

基于表面等离子体共振效应的椭圆柱银纳米线的光力研究

运用有限时域差分方法,研究了两椭圆柱银纳米线之间的光力及其物理机制,并且分析了椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置对光力的影响.结果表明:椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置等结构参量的变化导致两椭圆柱银纳米线之间光力的明显变化.由于局域耦合共振,Ag纳米颗粒间的内壁上存在电子的振荡行为,将微腔中光子的能量转化成电子集体振荡的动能,这使得微腔中的电磁场能量减小到负能态,从而产生收缩的负光力.因此,Ag纳米颗粒间相互吸引.

三角形金属纳米粒子的光力特性研究

基于麦克斯韦应力张量理论,对多边形金纳米粒子在聚焦场下的光力特性进行了研究。以三角形金纳米粒子为例,从粒子在聚集场中的受力情况出发,分别研究了具有圆对称能量分布的聚焦场和具有三角形能量分布的聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性。研究结果表明,当使用圆对称聚焦场时,可对边长为50~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获;当使用三角形聚焦场时,在粒子以和聚焦场形状匹配的角度进入聚焦场的情况下,可对边长为100~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获。将圆对称聚焦场和三角形聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性进行比较,发现三角形聚焦场在x方向的捕获力要强于圆对称聚焦场;而在y方向,三角形聚焦场对粒子的捕获范围要大于圆对称聚焦场。该工作研究了三角形的金属纳米粒子在不同形状聚焦场下的光力捕获特性,为基于非球形金属粒子的光学操纵在拉曼光谱超分辨成像、粒子微加工等领域的应用奠定了理论基础。

不同缺陷态下具有高光力耦合率的新型一维光力晶体纳米梁

本文设计了一种由两侧挖孔的六棱柱单胞周期性排列而成的新型光力晶体纳米梁谐振腔,利用有限元法计算了该结构在不同缺陷态下的带隙特性.基于移动边界效应和光弹性效应机制,采用一阶微扰理论并借助光力耦合系数计算法获得了光力晶体纳米梁谐振腔的光力耦合率,同时分析了谐振腔声学模态的对称性,并对光力耦合机制进行了探索.研究表明:改变缺陷数量或优化几何结构均可改善光学模式和机械模式的重叠性;对于同种缺陷不同数量的谐振腔结构,缺陷数量只会影响光力耦合率中移动边界效应和光弹性效应的作用方式,而几乎不会改变其耦合率的大小.分析具有梯度缺陷的光力晶体纳米梁谐振腔的振动模态对称性发现,只有关于x-y,x-z,y-z平面偶对称的振动模态才能与光学模态产生强耦合,并得到高达2.25 MHz的光力耦合率.

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.

腔光力系统中的光学传输特性研究

研究了含有两条特殊路径的环形光力系统的光学传输特性,这两条路径结构相互独立但彼此间存在声子、光子耦合。通过调节两条独立耦合路径间的耦合强度以及有效光机械耦合率等参数,系统展现出了诱导透明现象的可调谐性。在耦合强度较大时会产生对称失谐点透明峰,距离和强度均可由路径耦合强度调控,从而使基于该系统的全光子开关在理论上成为可能。此外,通过对相关参数的调节,能够轻易地改变透射光的群延迟大小,通过多种途径实现快、慢光的可调谐性。在部分条件下,系统展现出对快慢光调制的优良特性,为相关光子器件的制作与量子现象的研究提供了一个好的平台。

级联原子诱导的腔光力系统的稳态纠缠特性

本文提出了一个由三能级级联原子束去纠缠双模腔场的理论方案.利用量子朗之万方程,结合激光的线性近似理论,求出此系统的稳态解.同时,采用Negativity作为纠缠判据,对系统的稳态纠缠进行了数值模拟.研究结果表明,纠缠是由原子的相干态诱导的,即使对于机械品质因子较低的坏腔,当参数取值恰当时,两模腔场以及腔场与镜子之间也都会产生纠缠.并且得出,入射率越大,纠缠越大.

基于三腔光力系统的单向放大器

单向放大器是经典和量子信息处理中非常重要的非互易性器件.提出了一种基于三腔光力系统实现单向放大器的方案,其中3个不同的腔场通过辐射压力分别耦合于1个共同的机械振子,并且有2个腔直接耦合起来便于实现非互易性传输.通过求解线性化的量子郎之万方程,解析地给出了实现单向放大的条件,并详细研究了不同腔模之间传输的透射率随入射信号的频率以及有效光力耦合强度的大小和相位差等物理量变化的情况.研究发现,该系统在机械振子的增益和量子相干效应的共同作用下可以实现信号的单向放大.

教学名师朱光力教授专访

1背景介绍 “双师型”教师队伍建设是高职院校办出特色的重要保证，但目前对高职师资研究主要集中在“双师型”教师的外部条件研究方面，相关的个案研究较少见。

基于超强耦合腔光力系统制备的宏观量子态特性分析

利用原子-腔超强耦合光力系统,通过调制光力耦合,开展了力学振子的宏观量子叠加态的制备与特性研究。首先利用Wei-Norm方法给出了演化算符的计算过程,并针对任意原子-腔初始态情况,给出了整个系统演化波函数的解析形式,结果表明假设对原子―腔子系统进行测量,在一定条件下,振子将处于宏观量子叠加态。进一步给出了力学振子宏观量子叠加态的Wigner函数的解析表达式,并对影响宏观量子态量子性的可能因素进行了理论计算和分析。最后讨论了原子-腔不同的初始态对宏观量子相干性强弱的影响,并给出宏观量子相干性最强的初态参数;还讨论了原子-腔耦合强度对宏观量子叠加态的量子相干性的影响,发现耦合强度越强,宏观量子叠加态的量子相干性就越强。