腔光機械耦合系統(tǒng)可以用來實現(xiàn)諧振腔與機械振子之間的相互作用,對量子理論以及其應(yīng)用技術(shù)的研究都具有極高的價值。由于機械振子本身頻率較低很容易受到外界熱環(huán)境的激發(fā)產(chǎn)生熱噪聲,阻礙后續(xù)對量子現(xiàn)象的研究,所以對機械振子進行冷卻以及優(yōu)化具有十分重要的意義。本文研究主要包括兩個部分,分別利用兩種不同的腔光機械耦合系統(tǒng)對在可分辨邊帶弱耦合條件下的機械振子進行冷卻,探究在什么系統(tǒng)參數(shù)條件下機械振子的冷卻達到最小值。在第一部分中,利用F-P腔光機耦合系統(tǒng)對機械振子冷卻以及優(yōu)化進行研究。首先,由系統(tǒng)總哈密頓量推導(dǎo)出描述系統(tǒng)動力學(xué)演化的量子郎之萬方程以及輸入噪聲關(guān)系式,利用平均漲落理論對其進行線性化處理,并將其變換到頻域上。然后,利用線性化的哈密頓量推導(dǎo)出機械振子的輻射壓力噪聲譜密度,由此推導(dǎo)機械振子的凈冷卻率與穩(wěn)態(tài)聲子數(shù)。最后,分析系統(tǒng)各個參量對凈冷卻率以及穩(wěn)態(tài)聲子數(shù)的影響,并研究分析機械振子冷卻的優(yōu)化參數(shù)條件。在第二部分中,利用膜腔光機耦合系統(tǒng)對機械振子冷卻以及優(yōu)化進行研究。首先,由傳輸矩陣理論計算出腔模系統(tǒng)中光腔的透射率,并利用傅里葉逼近計算出光腔的共振頻率。然后,再利用量子郎之萬方程描述機械振子的動... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

輻射壓力原理示意圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-2-2(a)。一般太陽光的輻射壓力非常小，只有彗星運行至太陽系與太陽距離足夠近時，彗星表面顆粒所受到的輻射壓力才大于彗星引力形成彗尾。其實，光的輻射壓力現(xiàn)象的還有很多，其中最具代表性的就是利用太陽輻射壓力為動力的太陽帆，如圖1-2(b)。只要存在太陽輻射，光壓會推動其向遠離太陽方向運動。若將帆板的面積做的足夠大，那太陽帆所受到的推力是相當(dāng)可觀的。圖1-2(a)彗星(b)太陽帆，圖片來源www.baidu.com直到1901年，Nichols和Hull[6]的實驗才首次證明了Maxwell對輻射壓力強度的預(yù)測[7]。20世紀70年代，Braginsky利用對振蕩器加速度的測定分析出量子性質(zhì)對其靈敏度的影響[8]，并討論了對振蕩器量子態(tài)非破壞性測量的可能性。1975年，Hnsch和Schawlow[9]以及Dehmelt和Wineland[10]兩個研究小組同時提出利用輻射壓力的非保守性質(zhì)可將運動的原子冷卻。隨后1983年，Dorsel,Mccullen,和Meystre等人首次利用宏觀機械振子對腔體中的輻射壓力效應(yīng)進行了實驗研究[11]，這為后來腔光機械耦合系統(tǒng)中微納尺寸的機械振子的輻射壓力冷卻奠定了基矗1.2.2機械振子研究進展一般情況下，研究機械振子的量子特性系統(tǒng)需要滿足mBωkT(其中mω為機

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-3-械振子的共振頻率，Bk為玻爾茲曼常數(shù))，所以對振動頻率高的小機械振子的選擇十分必要。目前，對機械振子冷卻的研究已經(jīng)進入微納尺度，質(zhì)量從g-zg的機械振子都相繼出現(xiàn)，例如基于F-P腔的機械振子[12-15]，腔中膜結(jié)構(gòu)[16-17],基于回音壁模式的微球振動腔壁[18-22]、微環(huán)腔[23-24]、微瓶腔[25-26]以及微盤腔[27-28]，光子晶體缺陷腔與納米束[29-32]和超導(dǎo)腔光系統(tǒng)[33-34]等，如圖1-3、1-4。圖1-3質(zhì)量從g-fg的機械振子，(a)懸掛式宏觀鏡，(b)懸浮微柱，(c)懸浮微鏡，(d)彈床諧振器，(e)懸浮振子，(f)雜化光機系統(tǒng)，(g)微型環(huán)，(h)半導(dǎo)體微盤諧振器，(i)雙盤微諧振器。圖片來自文獻[35]然而，對于宏觀鏡子的腔冷卻[36]與利用低溫系統(tǒng)進行的腔冷卻[37]的實驗驗證是近些年才完成的。需要注意的是，上文提到的微波腔和微納尺度的機械振子的冷卻實驗也已經(jīng)取得不錯的進展[38-40]。值得注意的是，2012年，第一個腔光機械耦合系統(tǒng)中振子機械運動的量子化現(xiàn)象的觀察實驗被證實[41]，再一次說明腔光機械系統(tǒng)豐富的光學(xué)性質(zhì)與機械性質(zhì)對機械振子的研究具有顯著的優(yōu)勢，近年來，這一領(lǐng)域的理論和實驗工作在機械振子量子基態(tài)冷卻方面都得到了進一步的發(fā)展。在理論研究上，可利用腔光機械耦合系統(tǒng)研究豐富的量子效應(yīng)。2013年，TAPalomaki[42]等人利用傳播的電信號來糾纏宏觀機械振蕩器的運動，并將糾纏態(tài)的一半存儲在機械振蕩器中，從而使兩個物理系統(tǒng)實現(xiàn)共享糾纏的量子態(tài)，用以測量超越量子極限的的力。同年，AmirH.Safavi-Naeini等人利用集成在硅芯片上的納米

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Review of cavity optomechanical cooling[J]. 劉永椿,胡毓文,黃智維,肖云峰.  Chinese Physics B. 2013(11)
[2]輻射壓力誘導(dǎo)強耦合光機械腔中的簡正模式分裂和冷卻(英文)[J]. 陳華俊,米賢武.  量子電子學(xué)報. 2012(02)

碩士論文
[1]腔光力Si3N4薄膜可分辨邊帶冷卻及冷卻激光噪聲的高效抑制[D]. 張新艷.山西大學(xué) 2016



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