氮空位色心（Nitrogen-vacancy center,NV center）是金刚石晶格中氮原子和紧邻的空位形成的点缺陷结构。带负电的NV色心具有独特的自旋和电子能级结构,其自旋在室温下具有长的量子相干时间,并可通过光学手段对其量子态进行初始化和读出。因此,NV色心作为一种典型的固体量子比特在量子传感、量子信息等领域得到了广泛地应用。其中,金刚石NV色心系综和微波谐振腔构成的复合系统备受关注。利用该杂化体系,人们在极低温的环境中实现了各种腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics,C-QED）效应,如超辐射脉冲现象、拉比振荡和拉比劈裂现象。然而,低温操作环境极大地限制了C-QED效应在量子传感等方向的应用。此外,利用类似的复合系统,人们在实验上实现了室温下的连续微波激射,其有望解决原有微波激射器所需的超高真空、极低温、强磁场环境,可进一步推进微波激射器在微波通讯、时间基准、医学和射电天文学等领域的应用。虽然,微波激射属于C-QED效应的一种,但目前对其机制的研究并不深入,NV色心自旋与微波谐振腔间的集体耦合及其导致的超辐射对微波激射的影响仍不清楚。因而,我们有必要从理论上探究如何利用金刚石NV色心实现室温下的C-QED效应,并研究超辐射现象对微波激射的影响。在本硕士论文中,我们围绕上述两个问题进行深入的理论研究,现将相关研究成果简述如下:1)如何实现室温下基于金刚石NV色心的C-QED效应?为解决这个问题,我们构建了描述金刚石NV色心和微波谐振腔系统动力学的量子主方程,引入光泵浦导致自旋冷却的有效描述,利用平均场理论对该方程进行了求解。研究表明室温下由于自旋-晶格弛豫过程导致NV色心自旋系综处于低对称的Dicke态,其和微波谐振腔耦合较弱,无法实现C-QED效应;利用光泵浦导致自旋冷却过程,可抵消自旋-晶格弛豫,使自旋系综处于高对称Dicke态,增强其与微波谐振腔的耦合,从而实现了室温下拉比振荡、拉比劈裂以及受激超辐射等C-QED效应。另外,控制冷却速率可以控制自旋系综与谐振腔的耦合强度,可用于研究集体弱耦合到强耦合转变对室温C-QED效应的影响。2)NV色心自旋系综与微波谐振腔间的集体耦合如何影响基于金刚石NV色心自旋的微波激射?为解决这个问题,我们考虑强磁场下NV色心自旋塞曼劈裂,结合光泵浦机制实现自旋能级布居数反转。我们将自旋的非相干泵浦有效描述引入量子主方程中,利用平均场方法对其进行求解,研究了自旋的非均匀展宽、自旋数目、温度、频率失谐对微波激射的影响。研究表明:在室温下通过对多于1014自旋进行速率为千赫兹的非相干泵浦,可以产生微波激射和超辐射过程共存的微波超辐射激射,其对应辐射线宽可小于亚毫赫兹,且该超窄线宽辐射不会被NV色心系综的非均匀展宽破坏。