【摘要】：光與物質(zhì)的相互作用是量子光學(xué)的重要研究領(lǐng)域。在該領(lǐng)域中,腔光力學(xué)雖然誕生較晚,卻以其獨特的性質(zhì)與廣泛的應(yīng)用前景成為了研究的熱點之一。腔光力學(xué)的主要研究對象是光學(xué)腔內(nèi)的光場通過輻射壓力同介觀尺度的機械振子的相互作用,其研究內(nèi)容不僅涉及量子光學(xué),還涉及到微納光子學(xué),材料科學(xué)以及機械科學(xué)等等領(lǐng)域。作為一個新興的交叉學(xué)科,腔光力學(xué)的興起會不可避免地促進量子聲學(xué)的獨立和發(fā)展。在基礎(chǔ)研究方面,腔光力學(xué)為量子物理中宏觀尺度物體的量子現(xiàn)象以及量子經(jīng)典邊界等研究提供了良好的平臺。在應(yīng)用方面,可以用于探測極其微弱的力、質(zhì)量和位移的變化,乃至于引力波的探測。此外,在量子信息處理方面,腔光力學(xué)系統(tǒng)不僅可以提供良好的信息存儲載體,同時也可以充當信息在不同波長的載波之間相互轉(zhuǎn)換的媒介。本論文致力于薄膜腔光力系統(tǒng)的理論和實驗研究,包括系統(tǒng)的色散耦合,高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子的制備,機械模式的冷卻,薄膜腔光力系統(tǒng)中光輻射壓誘導(dǎo)四波混頻過程的理論機制及實驗實現(xiàn)。本論文主要分為四個部分:1,將高張力的氮化硅薄膜諧振子放置在高精細度的法布里-珀羅腔中,搭建了薄膜腔光力實驗平臺。從理論上分析并在實驗中測量了薄膜折射率的實部和虛部分別對薄膜腔光力系統(tǒng)光學(xué)模式的光學(xué)色散響應(yīng)和光學(xué)耗散的影響。在此基礎(chǔ)上,還研究了由于薄膜表面同腔內(nèi)光場波前不重合導(dǎo)致的多模激發(fā)以及強非線性耦合現(xiàn)象。2,詳細分析了影響機械諧振子機械損耗的各種因素,包括由于內(nèi)部分子間摩擦所引起的內(nèi)生彎曲損耗和由于機械能量逃逸產(chǎn)生的額外損耗,后者也稱為聲子隧穿損耗。在我們目前的實驗條件下,聲子隧穿損耗是制約薄膜諧振子機械品質(zhì)因子提高的最大因素。本文提出兩種方案來抑制聲子隧穿損耗以提高薄膜諧振子的機械品質(zhì)因子。第一種為使用光纖微梁結(jié)構(gòu)將薄膜所在的硅基片同外界隔離,光纖微梁產(chǎn)生的較大的聲學(xué)阻抗失配可以很好地抑制機械波的傳播,從而抑制聲子隧穿損耗。通過這種方法將室溫下的薄膜諧振子基模的機械品質(zhì)因子提高到了10~6以上。第二種方法為直接在薄膜諧振子所在的硅基片上制作低頻諧振子結(jié)構(gòu),通過低頻諧振子作為聲學(xué)低通濾波器,抑制較高頻率的機械波的傳遞,從而抑制了聲子隧穿損耗,這種方法可以將多個模式的機械品質(zhì)因子同時提高到10~6以上。3,將機械運動模式冷卻到接近乃至達到量子基態(tài)是將腔光力系統(tǒng)推進到量子區(qū)域、實現(xiàn)光場的量子起伏同機械振子相互作用的先決條件。本文對目前已有的邊帶冷卻方案進行了理論的分析,得出了邊帶冷卻的極限,并得出了系統(tǒng)進入強耦合區(qū)域的條件。由于雙模壓縮型相互作用的存在,邊帶冷卻方案在非可分辨邊帶區(qū)域并不適用,但探測反饋冷卻方案在此區(qū)域卻有良好的表現(xiàn)。本論文依據(jù)全量子理論對反饋冷卻進行了理論分析并得出了其同探測效率相關(guān)的冷卻極限。據(jù)此提出在探測效率較高的薄膜腔光力系統(tǒng)中實現(xiàn)反饋冷卻的方案,理論上可以將薄膜諧振子的基模振動模式冷卻到平均聲子數(shù)小于一個,即達到量子基態(tài)。4,四波混頻過程廣泛存在于原子系統(tǒng),非線性晶體和光纖等非線性介質(zhì)中,并已經(jīng)應(yīng)用于糾纏光場的產(chǎn)生和光頻率梳的制備等方面。由于這些介質(zhì)中的能級結(jié)構(gòu)是天然形成的,僅有特定頻率范圍的激光可以同其進行相互作用并產(chǎn)生四波混頻過程。但是,腔光力系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)可人為控制,可以工作在極寬的光波長范圍內(nèi),甚至是在微波波段。目前對光輻射壓誘導(dǎo)的四波混頻過程的研究集中于可分辨邊帶和光力強耦合方案。本文提出在非可分辨邊帶區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光力四波混頻的理論方案,并在薄膜腔光力系統(tǒng)上首次實現(xiàn)了多�？刹倏氐乃牟ɑ祛l過程,同時進一步在薄膜諧振子兩個不同的機械模式上觀察到了四波混頻過程;并通過控制泵浦光的強度和失諧實現(xiàn)了四波混頻過程的有效操控。該過程在數(shù)十微瓦的弱泵浦光條件下實現(xiàn)了對微弱信號光的顯著放大,且可以產(chǎn)生線寬極窄的頻率響應(yīng)曲線,未來在光學(xué)頻率標準等方面有潛在的應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O431.2
【圖文】：

之間的相互作用，光力學(xué)（Optomechanics）應(yīng)運而生。光場的力施加外力，影響其運動狀態(tài)，而運動的物體又會反過來對光場有所場力學(xué)效應(yīng)引起的光場同機械諧振子的相互作用，正是光力學(xué)的學(xué)腔將光場增強，光力學(xué)進入到研究腔模光場和機械振子相互作用ity Optomechanics）范圍[1]。力學(xué)效應(yīng)主要可分為輻射壓力和光梯度力兩種。光的輻射壓力又于光子的動量。當光從物體表面反射時，可以認為光子對物體有沖著名天文學(xué)家開普勒在觀察彗星的運動情況的時候，就發(fā)現(xiàn)彗星時，彗尾會劈裂為兩條。其中一條同彗星的運動方向相關(guān)，而另一的方向（圖 1.1）[2]。這是由于在太陽光輻射壓的作用下，較輕的體彗尾，永遠背向太陽。而較重的塵埃微粒收到光輻射壓力的影響彗尾。然而，由于單個光子所攜帶的動量較小，光輻射壓力的研究以來始終沒有較大的進展。盡管利用太陽光作為宇宙飛船的前進就被提出，太陽帆飛船的進展卻一直命途多舛。

第一章 緒論別表示由于左右兩面腔鏡引起的損耗，則此時內(nèi)腔場光場湮滅 0.2ex in va t i a t a t a t х 為失諧量， 表示由于光學(xué)腔內(nèi)生損耗引入的真空式可以得到穩(wěn)態(tài)下腔內(nèi)平均場：.2exinai 為輸入場的平均場。穩(wěn)態(tài)下腔內(nèi)平均光子數(shù) 光子數(shù)同外部輸入平均光功率 的關(guān)系為： 22.2ex incLPn

第一章 緒論其中， (х ) Ъ 表征了光學(xué)腔對于外界驅(qū)動場的響應(yīng)，稱為光學(xué)腔的光學(xué)敏感度（Optical susceptibility）。同樣地，輸出場的起伏量滿足： 0 0,out c ex in v vd d a a(1.11)1.3.2 機械諧振子作為和腔內(nèi)光場相互作用的對象，機械諧振子在腔光力學(xué)研究中扮演了舉足輕重的地位。目前為止，已經(jīng)有多種諧振子應(yīng)用于腔光力學(xué)研究中。圖 1.3 中給出了目前常用的幾種機械諧振子，包括激光干涉引力波天文臺中使用的端面腔鏡，微懸鏡[80]，微盤腔[1]，薄膜諧振子[81]，微梁諧振子[52]，光子晶體線[1]以及冷原子[1]等等。在本節(jié)中將詳細闡述表征機械振子機械運動模式的物理量以及運動方程的量子化。

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本文編號：2772334