腔光力系统指利用高品质的光学微腔来增强光场与力学振子通过光辐射压相互耦合的系统,已经成为量子光学、非线性光学、精密测量、量子信息等学科领域十分重要的前沿研究对象,并取得了许多重要的进展。通过辐射压力形成的光力耦合属于非线性反馈耦合,展现出极其丰富的非线性效应。深入探究光力非线性效应及其相关应用的研究可以加深对光的力学效应的理解和认识,而且在引力波探测、机械振子的基态冷却、光信息存储、量子力学基础的验证等方面都有着广泛的应用前景。光与物质相互作用包括电偶极相互作用和磁偶极相互作用。光场与自旋波量子通过磁偶极相互作用组成的系统是凝聚态物理与量子光学领域中一个最新的研究方向。自旋波量子,又称磁振子,是指在某些磁性体中相互作用的自旋体系由于各种激发作用引起的集体运动。磁振子具有丰富的非线性和量子特性,有望在后摩尔时代器件的发展中取代电荷作为信息技术概念中的信息载体,可以有效地避免芯片中因电荷高速运动和频繁碰撞引发的严重发热,从而开辟了实现低功耗、高速度信息存储和逻辑运算芯片的新途径。本论文研究了光学微腔中光场与力学振子和自旋波量子耦合系统的非线性效应及其相关应用。主要内容包括以下几个方面:1.提出了利用二能级原子来诱导腔光力系统高阶边带产生和放大的理论方案。结果表明,耦合在光腔中的二能级原子可以修饰腔光场的分布并有效地增强系统的非线性,从而增强高阶边带的产生。这对于实现低功率芯片型光频梳器件具有一定的理论参考价值。此外,我们探究了系统在不同的参数条件下高阶边带产生的强度特征,尤其是平台区和截止区的光谱结构,并详细讨论了光谱非微扰特征信号及其产生的物理机制。2.研究了锶原子腔系统在外磁场作用下的超慢光产生及调控问题,并提出了通过改变外部磁场来实现光信号群延迟调节的理论方案。研究表明,锶原子在外磁场作用下会发生塞曼分裂,并在系统的透射谱中诱导透明窗口产生。我们分析了透明窗口处的色散关系,指出在外磁场作用下,系统会出现超慢光现象。我们的工作将磁场和光传输的研究结合在一起,提供了解决超慢光产生和调控的思路。3.探究了回音壁模式光学微腔的非线性动力学问题,并提出了实现非互易光混沌传输的理论方案。结果表明,通过控制纳米粒子在腔场中的相对位置,系统的动力学演化依次经历周期振荡、倍周期分岔,直至出现混沌运动。有趣的是,我们发现由非厄米模式耦合导致系统出现奇异点,而且在奇异点附近系统的混沌运动具有非互易性。该工作将手性概念引入到混沌运动的研究中,定义了一个与混沌运动相关的手性参量来刻画系统动力学演化过程中的非互易性,为实现非互易光传输和基于混沌的保密通信提供了理论参考。4.研究了由磁振子克尔非线性诱导高阶边带的产生和磁振子混沌运动。提出了通过调节外部磁场来实现系统高阶边带产生和调控的理论方案。研究表明,通过改变微波驱动场功率和相对相位可以实现磁振子有序态和混沌态之间的转变。该工作对揭示腔磁振子系统的非线性性质具有一定的科学意义,而且在精密测量和光通信领域具有潜在的应用价值。5.讨论了基于铁磁-超导量子系统的磁振子阻塞效应。结果表明,在不同的参数条件下,依次观测到磁振子聚束、反聚束以及阻塞效应,并指出磁振子和量子比特之间的强耦合相互作用是导致磁振子阻塞效应产生的直接原因。此外,我们探究了磁振子阻塞效应与平均热磁子数的依赖关系,发现只有在低温环境下方可观测到阻塞效应。该效应是探究磁振子量子特性的关键一步,也为未来实现单磁子水平量子操控提供一定的理论依据。总而言之,本论文研究了光学微腔中光场与力学振子和磁振子耦合系统的非线性效应及其相关应用,并得到了一些阶段性研究成果。这些结果加深了我们对光的力学效应、光力非线性、磁振子克尔效应及其量子特性的认识和理解,促进了学科领域的交叉融合,而且对推动腔光力系统和磁振子系统在精密测量、量子模拟和光信息科学上的实际应用都有一定的理论参考价值。