【摘 要】
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随着微纳加工技术的持续进步,薄膜振子等力学器件在空间尺度上正在变得越来越小,以至于光力耦合系统不断向微观尺度发展,并导致了各种高精细度光学微腔的出现。微米量级的力学振子,由于极其微小的质量,在与腔模光子耦合时可表现出纯粹的量子效应。对光力耦合系统进行研究,除了可验证量子力学的一些基本定理之外,还在很多领域有着广泛应用前景:一方面可对微小质量、微小位移和微小力场等微弱信号进行高精度测量,例如利用光力
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随着微纳加工技术的持续进步,薄膜振子等力学器件在空间尺度上正在变得越来越小,以至于光力耦合系统不断向微观尺度发展,并导致了各种高精细度光学微腔的出现。微米量级的力学振子,由于极其微小的质量,在与腔模光子耦合时可表现出纯粹的量子效应。对光力耦合系统进行研究,除了可验证量子力学的一些基本定理之外,还在很多领域有着广泛应用前景:一方面可对微小质量、微小位移和微小力场等微弱信号进行高精度测量,例如利用光力干涉装置探测引力波信号;另一方面还有望在量子领域操纵和探测机械运动,例如制备光子和声子的纠缠和压缩等非经典态。这样,很多光力学器件就可作为光子、原子和声子等不同信息载体的量子接口,实现一些难以企及的量子信息处理过程。再有,光力学研究还提供了在“相对来说具有宏观尺寸和宏观质量的”物理系统中观测到量子相干现象的可能。在本文,我们主要研究双腔光力学系统的电磁诱导透明、相干完美吸收和相干完美透射等量子相干现象及其高效动态调控。首先,针对两侧为部分透射固定镜子和中间为全反射可移动薄膜的一个双腔光力学系统,我们研究了左侧既有控制光驱动又有探测光输入,而右侧只有控制光驱动的情形。结果发现,右侧控制光的强弱对左侧探测光的吸收和色散性质有着重要影响:在关闭右侧控制光且左侧控制光工作于可分辨的力学红边带时,我们的双腔光力学系统中将出现标准的单腔电磁诱导透明现象;当开启右侧控制光并使其同样工作于可分辨的力学红边带时,原本完美的电磁诱导透明窗口会随着它的强度增加而逐渐变浅;当右侧控制光强度约为左侧控制光强度的三倍时,电磁诱导透明窗口几乎完全消失了。这样,我们就可通过改变右侧控制光的强弱实现探测光在吸收和透明两个状态之间的有效转换,从而获得一种新型光力学全光开关。此外,我们还关注了在相同情形下,光力学强耦合导致的本征模式劈裂等非线性参量过程。结果发现,右侧控制光的强弱还对“电磁诱导透明”和“本征模式劈裂”两个参数区域之间的临界功率有着重要影响:当左侧控制光功率小于临界功率时,光力系统工作在电磁诱导透明参数区域;当左侧控制光功率大于临界功率时,光力系统工作在本征模式劈裂参数区域。更重要的是,在左侧控制光强度保持不变的前提下,增加右侧控制光的强度会大大降低临界功率,因此只需简单调制右侧控制光强度即可实现光力系统从“电磁诱导透明”区域到“本征模式劈裂”区域的有效转换。我们还发现,右侧控制光对参量产生的斯托克斯场和反斯托克斯场均有重要影响:当右侧控制光和左侧控制光强度相等时,左侧输出场中的斯托克斯分量能量接近为零(左侧输入探测光被几乎全部吸收);左侧输出场中的反斯托克斯分量能量随着右侧控制光强度的增加不断减少。其次,针对具有“固定镜子-可移动薄膜-固定镜子”结构的同一双腔光力学系统,我们研究了左右两侧同时输入强控制光和弱探测光的另一重要情形。结果发现,由于非线性光压项的作用,左右两侧控制光的相对强度和探测光的相对相位对探测光的吸收和透射等性质产生了显著影响。例如,当两侧控制光的振幅比值和探测光的相对相位以及薄膜振子的弛豫速率满足一定条件时,会在几个特殊的频率位置出现关于两个弱探测光的相干完美吸收、相干完美透射和相干完美合成等有趣量子相干现象。另外,要使一侧的输出探测光谱中出现完美电磁诱导透明窗口,要求另一侧的输入探测光具有与之相反的相位,而且两个探测光的强度比值要与两个控制光的强度比值一致。总之,我们可通过改变左右两侧输入光的强度比值和左右两侧探测光的相对相位来有效控制电磁诱导透明窗口的宽度和深度,进而对弱光信号在光力学系统中的动态传播特性进行有效调控,这对于在光学量子信息处理过程中实施必要的非线性相干操控是至关重要的。最后,我们简单总结了本论文涉及的研究内容,并对可能的后续研究工作进行了展望。我们希望,在双腔光力学系统研究中取得的研究成果,能为发展全光开关和全光路由等适于量子信息网络的新型光子器件提供理论参考。
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