回音壁腔光机械系统中的动力学行为

研究了在控制和探测激光存在时回音壁腔光机械系统中的动力学行为,分析了系统中产生类似于原子电磁诱导透明与吸收的原因,论证了此系统的输出场在探测频率下存在类似于电磁诱导透明和电磁诱导吸收的现象,并证实了回音壁光机械腔系统与Λ原子系统中的泵浦探测响应特性相类似.此外,利用泵浦失谐控制光机械系统中类似于电磁诱导透明和电磁诱导吸收之间的转换,此系统中光机械诱导透明与吸收的论证为量子信息的处理提供了理论依据.

原子光机械混合系统中光学双稳态的研究

在原子光机械腔混合系统中,通过求解系统的Heisenberg-Langevin方程稳态解,研究光机械腔内倒Y型四能级原子系统在电磁诱导透明与非电磁诱导透明配置下,混合光机械系统的光学双稳态特性。分析发现在非电磁诱导透明条件下,光子数双稳态上阈值可调节,而下阈值始终不变。相反,当光场与原子之间的耦合使原子系统处在其中一个透明窗时,上阈值基本不变而下阈值可调节。另外,在相同驱动场强度情况下,电磁诱导透明配置比非电磁诱导透明配置更易实现光子数双稳态;不管是电磁诱导透明配置还是非电磁诱导透明配置状态下,当双稳态曲线达到上阈值之后,随着驱动场强度增加双稳态曲线都呈线性变化趋势。

耦合腔光机械系统中两个机械振子的态交换

本文研究了一个由光纤连接的两个法布里-帕罗腔所组成的耦合光机械系统,每一个腔都是由一个固定的镜子和一个移动的镜子组成,移动的镜子可以看作机械振子,同时,这两个腔模都被经典激光场驱动,则在腔场与腔场之间,镜子与腔场之间,以及经典激光场和腔场之间都会产生相互作用。通过变换绘景、绝热剔除、旋波近似忽略高频项等量子光学的处理方法消除哈密顿中的两个腔模,得到了两个声子模之间有效的哈密顿;在假设两个机械振子的初态是相干态的情况下,解析出两个耦合的机械振子能够进行态交换;最后,为了验证解析结果,数值模拟了系统量子态的保真度,模拟结果表明,解析结果与数值模拟是自洽的,两个机械振子之间可以周期性地进行态交换。

腔光机械系统的纠缠演化特征

为深入了解微型腔光机械系统的量子效应,对双腔光机械系统的光场模纠缠演化特性进行研究,重点分析了初始态参数对系统量子纠缠的影响.结果表明:随着初始态参数α的增大,系统将达到最大纠缠态,即系统的纠缠度为1;另外,系统纠缠度越大,纠缠度随时间演化的衰减速率就越大;然而,系统纠缠度越大,纠缠存活的时间就越长,这个特性对于应用是有益处的.

Λ型三能级原子诱导光机械系统的稳态纠缠

为了研究原子对光机械系统的影响,将原子引入到一个双模动腔系统中,本文提出了一个由Λ型三能级原子去纠缠两个介观镜以及双模腔场的理论方案。由于原子的介入,使得腔场与移动的镜子之间发生相互作用。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,采用西蒙判据,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,当腔场与原子之间的耦合系数取值恰当时,两个移动的镜子,两模腔场以及腔场与较远镜子之间都会产生纠缠。并且得出,耦合系数越大,纠缠越大,即入射率越大,纠缠越大。由于在此混合系统中,任何两体之间都是纠缠的,得出此系统中存在多体纠缠现象。

双光腔光机械系统的动力学相变和选择性能量交换

本文探究了单腔和双腔光机械装置的动力学相变和选择性能量交换.发现系统会经历类似于Dicke-Hepp-Lieb超辐射型的动力学相变,且两光场间的正交动量耦合出现一个新的动力学临界点.两光场间的正交动量耦合等价于单(双)模光机械系统的外场驱动.通过耦合参数的调控,系统可以实现任意两模间的选择性能量交换,且临界耦合点与选择性能量交换对应.模压缩是能量转换的标志,且任何两模的正交压缩由特定玻色模间的能量交换决定.

多声子系统的多光机械诱导透明

提出了一个光学腔中包含三个可移动镜子的混合腔光机械系统的理论方案,这个光学腔被一束较强的耦合场和一束较弱的探测场驱动与三个机械振子线性耦合.利用平均场近似理论,得到系统的稳态解,并数值模拟了系统输出的探测场随失谐的变化关系.分析与数值结果显示,当三个机械振子的振动频率互不相等时,该系统出现三个透明窗口,当三个振子的振动频率两两相等、或三个都相等时,三透明就变成了双透明或单一透明窗口;同时发现,在所选取的参数范围内,腔场与振子之间的有效耦合系数及腔场的衰减率能够调控透明窗口的宽度,有效耦合系数越大或衰减率越小,透明窗口越宽;如果腔中存在N个机械振子,当N个机械振子的频率互不相等时,此系统会出现N透明现象,否则,透明窗口的个数会有所减少.

基于石墨烯光机械系统的光学三极管和相干光学存贮

原子尺寸厚度的二维纳米材料——石墨烯,由于它对于研究其量子运动行为的独特性质,石墨烯也许是构成纳米机械振子的最终纳米材料。本文在红边带条件下,通过用一个强的微波泵浦场和一个弱的信号场驱动石墨烯纳米机械振子–微波腔耦合系统,理论证明了系统中的光机械诱导透明。在蓝边带条件下,通过计算信号场的透射谱,发现信号场可以实现有效地减弱和放大取决于栅极场(泵浦场)的功率强度。这样在蓝边带下石墨烯光机械系统呈现出类似一个光学三极管实现弱微波信号的放大。此外通过控制强泵浦场,石墨烯光机械系统可以实现快光和慢光效应,并且通过调节腔场与泵浦场之间的失谐能实现快光和慢光效应之间的转换。石墨烯光机械系统对于光的存储将会是一个很有希望的方案,同时对于在通讯和量子信息技术上的应用也指出了一个方向。

基于多模式光机械系统的相干完美吸收与透射

本文提出一种广义的多模式腔光机械系统,其中两光学腔由一束较强的控制场和一束较弱的信号场驱动与同一个机械振子耦合。较弱的信号场将会被该系统完全吸收而不产生任何能量输出,定义该现象为相干完美吸收,并且当相干完美吸收产生时输入信号场的能量将由两个腔场和机械模所分担。改变参数条件,较弱的输入信号场将由一个腔传递到另一个腔而不产生任何的能量损耗,定义该现象为相干完美透射。上述两种现象可由两腔场之间的耦合所操控,并进一步分析了该现象产生的起源和条件。上述两种现象将在全光学领域中的量子信息方面有着潜在的应用。

腔光机械谐振器的动力学耗散冷却（英文）

基于光机械耦合系统,详细研究了该系统的动力学冷却问题,比较了强耦合系统中不同的光学腔模型耗散率对平均声子数的影响.在一定的范围内,腔耗散率越大,平均声子数越小,并且有更大的腔耗散率,平均声子数才能快速地达到瞬态冷却极限,即通过增大腔耗散率,能加速系统的冷却过程.对于强耦合系统,随着耦合强度的增加,平均声子数出现周期性的振荡,且随着腔耗散率的增大而快速的减小,最后达到一个冷却极限.相反,对于弱耦合体系,平均声子数随着腔耗散率的增大而快速的增大,而后达到一个稳定的平衡态,且随着耦合强度的增大,不会出现周期性的振荡.因此,在弱耦合系统中,增大腔耗散率有可能会加速系统的热过程.

基于光机械系统的质量探测器

光机械系统在精密测量方面的应用关键是基于纳米机械振子与高品质光学腔之间的强耦合.利用光学腔耦合纳米机械振子的同时通过库伦力耦合另外的一个带电纳米机械振子,并利用双模光力诱导透明等量子特性,发现第二个纳米机械振子随着附加质量的不断增加,两个透明窗口之间的距离(透射光频率之差)不断减小,根据此关系可精密测量附加在第二个纳米机械振子上微小物体质量.

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.

纳米光机械系统技术研究现状和进展

微光机电系统技术作为微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)技术在光学领域的延伸,通过微机电结构对光参量进行调控,研制出一系列对产业影响深远的微型器件,例如数字微镜、阵列光开关、激光雷达等。最近几年,微纳加工技术的进步促进了集成硅光子技术和纳机电系统技术的发展,并结合形成了集成度更高、功耗更低、信噪比更好的新型微光学器件平台技术——“纳米光机械系统技术”。通过单片集成激光器、探测器和换能器,可以在毫米尺度的芯片上,搭建一个完整的高性能微光学系统,并成功用于单光子操纵、单分子检测等高精密检测领域。从纳米光机械技术的出现背景和基础知识出发,详细介绍基于此技术的新型全光逻辑门和新型惯性传感器等高性能器件的研究进展。

一种广义三模腔光机械系统的相干完美吸收与透射

提出了一种广义的三模式腔光机械系统,系统的中间是一个反射率为100%的可移动的全反射机械振子,两侧均由一个部分透射的固定光学腔镜构成.其中两个光学腔由一束较强的控制场和一束较弱的信号场驱动与同一个机械振子实现耦合.较弱的信号场将会被该系统完全吸收而不产生任何能量输出,并且当相干完美吸收产生时,输入信号场的能量将由两个腔场和机械模共同分担;较弱的输入信号场由一个腔完美透视到另一个腔而不产生任何的能量损耗.分析与数值结果显示,在不同参数机制下,在该三模光机械系统中可以实现相干完美吸收、相干完美透射和相干完美合成的量子现象.此外,改变腔与腔之间的耦合度,可以实现输出探测场在相干完美吸收和相干完美透射之间转换;通过简单的相位调制,可以实现探测场左腔-右腔的输出和输入方向的互换.这些动态控制在量子信息网络可用来构造光子开关、光子路由、光子交换机等一些特殊功能的光子学器件.

双机械振子光机械系统的电磁诱导透明

考虑1个腔场中包含2个可移动镜子的腔光机械系统,可移动的镜子可以看成机械振子,该系统同时被2束经典激光场驱动,则在腔场与2个机械振子之间、腔场与经典激光场之间都会产生相互作用。利用平均场近似条件,写出系统算符平均值的时间演化方程,从而得到系统的稳态解;为了直观形象,数值模拟了系统输出的探测场随失谐的变化关系。模拟结果表明:当2个机械振子振动频率不同时,此系统出现双电磁诱导透明现象;同时发现,在所选取的参数范围内,腔场之间的有效耦合能够控制透明窗口的宽度,有效耦合系数越大,透明窗口越宽。

光机械系统中弱测量的放大效应

为了提高单光子作用的机械振子动量,建立一种基于马赫曾德干涉仪的光机械模型。利用弱测量方法研究机械振子的微弱动量变化,揭示一种新的有关放大的物理机制,给出满足该放大机制的光机械系统方案。结果表明,当机械振子初始为相干态时,它的微弱动量可以被放大,其最大放大值可达到基态的零点涨落。该研究说明了机械振子微弱动量通过弱测量可以被提高。

非线性光机械系统中的弱力探测

从理论上研究了包含光学参量放大器的非线性腔光机械系统的弱力探测性能.一方面,发现通过调节光学参量放大器的非线性增益以及输入光场与腔场之间的有效失谐,可以减小压缩正交中约14 dB的量子噪声,从而将弱力探测灵敏度提高2倍以上.另一方面,分析了非线性腔结合零差测量产生的反作用噪声相消现象并且实现量子非破坏测量的方法.

基于相干态指针实现光机械系统中的弱测量放大

为理解相干态指针在光机械系统中进行正交后选择弱测量导致镜子位移的放大效果,本文引入了一种新的有关放大的物理机制,同时提出了满足这种放大机制的光机械系统方案,对光机械系统在量子通讯、量子传感、量子计算的应用具有一定的指导作用。

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。