混合腔光力系统诱导透明及其相关现象的研究

论文摘要

腔量子光力系统主要研究光学腔场与纳米（或者微米）机械运动之间的相互作用。近几年,腔量子光力系统的研究发展迅速,其实际应用也很广泛。第一、在腔光力系统中,研究了光是如何操纵和探测力学振子运动的问题,能够产生光和力学振子的非经典态。第二、在精密测量方面,腔光力系统能够对力、位移、质量等微小的物理量进行光学高灵敏度的测量。第三、在腔光力系统中,力学振子作为通用的传感器,用来调制静止量子系统之间的远距离相互作用。第四、在腔光力系统中,可以实现光力诱导透明和慢光脉冲,这些都为实现固态量子存储器提供了可能。第五、在量子信息处理中,不同量子系统具有不同的优点,如好的相干性、强的耦合相互作用、远距离传输等。利用力学振子和光学腔之间的耦合作用,能够把不同量子系统的优点集中到同一个混合光力系统中。本论文主要研究混合腔光力系统中的诱导透明及其相关的物理现象。这些结果有助于进一步深入地了解混合腔光力系统中诱导透明、诱导放大、诱导吸收、快光与慢光、正交模劈裂等物理现象,并对后续开展混合腔光力系统中压缩态、纠缠态、精密测量等研究工作,具有启示作用。首先,研究含有光学参量放大器的混合光力系统中诱导透明现象和慢光效应。混合光力系统是由光学参量放大器、两个带电力学振子和光学腔构成的。光学腔与一个带电力学振子的耦合用辐射压力表示,光学腔与另一个带电力学振子之间没有相互作用,特别注意的是两个带电力学振子之间存在库仑相互作用。在此非线性混合光力系统中,通过改变两个带电力学振子之间的库仑耦合强度、光学参量放大器的增益（Gain）、驱动光学参量放大器的光场相位和耦合光场的功率等参数,来考虑光力诱导透明现象和慢光效应。由于两个带电力学振子之间的库仑耦合,能够用力学缀饰模式来解释双光力诱导透明窗口dips。随着库仑耦合强度的增加,两个透明窗口dips的间距随之变大。另一方面,通过控制混合光力系统的相关参数,可以实现长寿命的慢光（即群延迟时间大约为几个毫秒）,并且能够实现快光与慢光之间的相互转换。其次,研究包含两个力学振子和N个Λ-型三能级冷原子的混合光力系统,其中两个力学振子与光学腔之间相互作用都是平方耦合的,并用一个弱的探测场和一个强的耦合场来驱动光学腔,外来控制场和光学腔场分别作用于三能级原子的不同能级上。在可解边带条件下,通过调节相关参数,在输出光谱上会出现四个透明窗口dips。具体来说,最左侧和最右侧的透明窗口dips是由于三能级原子系综与光学腔（控制场）之间相干作用产生的,中间的两个透明窗口dips是由于力学振子的位移涨落产生的。接下来,通过改变相关参数,可以实现不同数量的透明窗口dips（即二个、三个或者四个透明窗口dips）,同时也能控制两个透明窗口dips的间距。此外,还研究了正交模式劈裂问题,发现光学腔场和三能级原子系综之间集体耦合强度能够影响输出光场的劈裂宽度。最后,讨论在力学振子中存在二能级量子比特情况下混合光力系统中的光力诱导透明、光力诱导放大和光力诱导吸收现象。此混合光力系统包括光学腔、力学振子和二能级量子比特（其存在于力学振子中）,其中光学腔与力学振子之间耦合是辐射压力,二能级量子比特与力学振子之间耦合是Jaynes-Commings耦合作用,而光学腔与二能级量子比特之间没有相互作用。在可解边带条件下,当一个弱的探测光作用到光学腔左侧时,会出现双光力透明窗口dips,并且二能级量子比特与力学振子之间的耦合强度决定两个透明窗口dips的间距;当考虑外加驱动场对力学振子的作用时,会出现光力诱导放大。进一步地分析,随着外加驱动场幅值的增加,透明窗口dips也随之加深;此外,当有两个弱的探测场分别作用到光学腔的左右两侧时,在合适的参数条件下,可以获得三个光力诱导吸收通道。接下来,考虑能量的耗散路径问题,在三个不同光力诱导吸收通道上,发现力学振子的力学激发与二能级量子比特的力学激发之和总是光腔内探测光子数的两倍。此外,也发现辅助驱动场的相位对光力诱导吸收通道的个数和出现的位置有重要影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 光力系统的研究背景
•   1.2 光力系统的分类
•   1.3 光力系统的研究方向
•   1.4 论文结构与研究内容
• 2 理论基础
•   2.1 典型光力系统量子模型
•   2.2 混合光力系统量子模型
•   2.3 输入-输出关系及缀饰态理论
•   2.4 电磁诱导透明及慢光效应
•   2.5 光力诱导透明、光力诱导放大、光力诱导吸收
• 3 非线性光力系统中诱导透明及长寿命慢光研究
•   3.1 引言
•   3.2 理论模型与动力学方程
•   3.3 数值结果与讨论
•   3.4 本章小结
• 4 辅助三能级原子系综的多模平方耦合混合光力系统诱导透明
•   4.1 引言
•   4.2 理论模型与动力学方程
•   4.3 数值结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 5 辅助二能级量子比特混合光力系统诱导透明、放大与吸收
•   5.1 引言
•   5.2 理论模型与动力学方程
•   5.3 光力诱导透明和光力诱导放大
•   5.4 光力诱导吸收
•   5.5 本章小结
• 6 全文总结与工作展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 主要创新点
•   6.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 贺庆

导师: 葛国勤

关键词: 光力系统,光力诱导透明,光力诱导放大,光力诱导吸收,快光与慢光,正交模劈裂

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O431.2

总页数: 128

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