原子辅助光力学腔的杂化诱导透明及快慢光调控

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随着光力学的不断发展,人们在光力系统中不但观察到了许多奇特的量子现象,同时还获得一种对机械运动进行量子控制或者对光进行机械控制的方法,并被广泛应用于高精度测量、量子信息处理和量子基本原理验证等多个领域。同时,随着纳米科技以及半导体技术的迅猛发展,光力系统在空间尺度上越来越小,量子效应也变得越来越显著。相应的光力诱导透明、快慢光和光存储以及其它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。另一方面,将光力系统与原子、量子点或单电子晶体管等量子系统耦合起来,也成为人们关注的焦点。这是因为该杂化系统不仅为量子操控提供了更多的自由度,而且还为经典和量子信息的转换提供了更多的途径。在本文中,我们就是通过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,来研究该原子辅助光力系统的量子相干性质及其快慢光调控。首先,我们研究了原子-腔-薄膜振子三模耦合光力系统的杂化电磁诱导透明(EIT)和光力诱导透明(OMIT)的光谱特性。我们发现这个原子辅助光力系统可以等效为倒Y型四能级原子系统而产生两个透明窗口,分别为腔场同原子耦合产生的EIT窗口以及腔场同薄膜振子耦合产生的OMIT窗口。而EIT和OMIT窗口的深度和宽度又可分别通过改变驱动场的强度或者原子数来实现有效的控制。此外我们还可以通过改变原子及腔场的失谐,使EIT谱线发生移动,从而使得OMIT窗口不仅能出现在EIT谱线的波谷处,还能出现在EIT谱线的波峰以及其他任意位置处,从而使整个谱线由对称变为不对称,改变整个杂化EIT和OMIT的光谱图像。很明显,由于原子的存在,使得光力系统成为了原子-腔-薄膜振子三模耦合的杂化系统,腔场成为了原子与机械振子相互联系的桥梁,使得原子可作为量子“操纵”来控制机械振子,机械振子的振动又反过来对光进行调制,最终使得整个系统的吸收和色散性质随原子数及其失谐的改变而发生变化。其次,我们研究了原子辅助光力学腔的可调谐快慢光现象。当没有原子时,我们观察到了典型的光力诱导透明现象(OMIT);而当有原子且它的失谐分别等于正负薄膜振子频率时,我们则分别观察到了正交模劈裂(NMS)和Fano共振现象。在反射的输出场中,当原子的失谐等于薄膜振子的频率时,OMIT谱线过渡到NMS谱线,其慢光现象消失;而当原子失谐等于负的薄膜振子的频率时,对称的OMIT谱线过渡到非对称的Fano共振谱线,其慢光现象消失并出现快光现象。在透射的输出场中,我们观察到了在共振处与Fano共振相关的群延迟时间明显大于与OMIT和NMS相关的群延迟时间。与此同时,透射的群延迟时间除了可通过调节驱动场的功率外还可以通过调节原子数来控制其大小从而实现可调谐的慢光现象。很明显原子的存在不但改变了光力系统的吸收和色散性质,同时还实现了对整个系统快慢光的调控。最后,我们研究了原子辅助光力学腔中相位对光力诱导透明(OMIT)及快慢光的调控。与前面原子辅助光力系统不同的是,在这里我们直接在薄膜振子上耦合一个很弱的辅助驱动场来直接激发机械振子振动。由此我们发现,随着辅助驱动场同探测场振幅比以及相位差的改变,整个系统的吸收、色散和群延迟时间也随之发生变化。在没有辅助场的情况下,我们在原子-腔-薄膜振子三模耦合的光力系统中观察到了杂化EIT和OMIT光谱图像。当辅助场与机械振子相耦合,且与探测场同相位时,改变辅助场同探测场的振幅比,我们发现,在共振处随着辅助场强度的增加,薄膜振子的共振吸收也随之增强,从而抑制了光力诱导透明。所以我们可以通过改变辅助场同探测场的振幅比来直接实现对OMIT窗口深度的调控。当保持辅助场同探测场的振幅比不变时,只改变辅助场与探测场之间的相位差,我们发现,相位差的取值也直接影响着系统的光力耦合效应,使得仅通过调节相位差就可以实现输出的探测场在“吸收”“透明”和“增益”三者之间相互转换,进而对弱探测场进行动态调控实现光开关。与此同时,我们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、振幅比及原子数,我们可以改变群延迟时间,使其表现出慢光或快光效应以及快慢光之间的相互转换。
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