非厄米腔光力系统中光场传输及其非线性效应研究

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近年来,关于PT(Parity-Time)-对称性的非厄米物理研究,在光学和光子学迎来蓬勃发展。PT-对称系统具有非厄米-哈密顿量,它可以表现出自发性地从PT-对称相到PT-破缺相转变,并伴随着系统的本征值从实数到复数的变化。特别地,PT-对称性破缺的临界点称为EPs(exceptional points)。通过增益-损耗平衡构建的PT-对称光学结构,可以利用增益、损耗和光学器件之间的耦合作用,对光学传输特性和非线性效应进行调控。结合PT-对称性构建的光学系统,在光波传输和激光理论方面已经取得了大量重要的研究成果,其中EPs效应在单模激光制备、光信号非互易传输以及量子传感都有着重要研究。另一方面,基于微腔结构的快速发展,腔光力学已经成为探索光与物质相互作用的重要平台,并取得了一系列标志性成果,如基态冷却、光力诱导透明、纠缠态制备等等,在基础物理和量子信息研究方面有着重要应用价值。因此,将PT-对称性拓展到腔光力学已经成为一个重要的研究方向。基于光力非线性相互作用,在本论文中我们构建了三种非厄米的腔光力学结构,系统地研究PT-对称性和EPs效应对腔光力系统中的光学传输特性和非线性效应的影响。论文的主要研究内容如下:1.我们在PT-对称光腔系统中利用薄膜振子的灵活性实现了双声子诱导透明现象。在腔光力系统的基础上,引入辅助的增益腔可以成功构建满足PT-对称性的腔光力系统。通过数值计算,探测场的输出光谱可以产生光力诱导透明现象,它本质上是利用了PT-对称性的自发性打破,增强了平方耦合的光力作用。而且,在PT-对称性保持的情况下,系统的本征模式发生劈裂形成两个超模;通过选择合适的参量,可以实现光力诱导透明在两个超模的位置转换。另外,温度参量可以对光力诱导透明的强度进行调控。这些结果在光信号的传输、储存和转换方面存在潜在的应用价值。2.我们提出了在力学-PT-对称系统中利用EPs效应增强光力诱导的和边带效应的新方案。在腔光力系统中,通过双探测场和强控制场驱动,并考虑光力内在非线性情况下,可以产生和边带效应,但是和边带的效率很低。利用PT-对称的力学振子构建的非厄米的腔光力系统,可以产生EPs效应。EPs效应因其独特的特性,已被用于制备声子激光和光信号的非互易传输。在EPs附近,和边带的效率可以显著增强,甚至提高三个量级;和边带效应可以应用在芯片上的光信号调制。这项研究提供了新的思路,即通过EPs和光力非线性的结合,用于增强腔光力系统中的光学非线性研究。3.我们讨论了在耗散耦合的回音壁模式微腔中利用EPs效应增强光力诱导的高阶边带效应。高阶边带效应是在考虑光力内在非线性情况下产生的,由于在弱耦合机制下,它的形成效率比较低。因其在探索量子非线性效应和高精密测量领域存在重要应用,而被广泛研究。在我们构建的非厄米的腔光力系统中,当光场驱动耦合两个纳米颗粒的回音壁模式微腔振子时,腔内产生两个方向相反的光学模式,它们在纳米颗粒附近会产生耗散性耦合作用;通过调制两个纳米颗粒之间的相位角,可以实现EPs效应。一方面,在EPs附近,二阶边带的产生效率会被显著增强;同时我们利用EPs对微扰的高灵敏响应,可以实现光力诱导透明和二阶边带之间的有效转换;另一方面,在非微扰机制,在EPs处可通过改变探测场的驱动功率增强高阶边带的产生效率。这极大地丰富了光力非线性的研究内容。
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