腔光机械系统的基态冷却及光学调控研究.pdf

湘潭大学博士学位论文

摘要

腔光机械系统既能对机械振子进行精密的光学操控，又能实现机械振子对光

的调控。因此，它可以为制备非经典情况的机械运动状态、观察经典物理与量子

物理的分界、精密测量、灵敏传感器和量子光信息处理等多种应用提供一个特殊

的应用平台；基态冷却的实现是上述应用在腔光机械系统中的关键。对腔光机械

系统中克尔非线性和诱导透明等光学效应展开研究有利于提高其在量子光信息

处理和精密测量的应用前景。因此，本论文针对腔光机械系统中的基态冷却和光

场调控进行了以下几个方面研究工作：

（1）对于高品质因子光腔构成的腔光机械系统，由于存在强光机械耦合限

制，使用传统的可分辨边带冷却方案难以实现基态冷却。因而，理论上提出一个

二能级量子比特辅助的腔光机械系统模型，由于二能级量子比特与腔场的作用，

系统能形成类电磁诱导吸收(Electromagneticallyinducedabsorption,EIA)效应和

简正模式分裂(Normalmodesplitting,NMS)效应。在这两种效应的协助下系统均

能突破强光机械耦合的限制，把机械振子冷却到更低的声子数。进一步研究表明，

当光机械耦合强度相同时，EIA能够在较弱的量子比特-腔耦合强度中实现比

NMS更好的冷却效果。此外，二能级量子比特辅助的腔光机械系统在不可分辨

边带条件下能实现基态冷却，而且其冷却效果与以前的非双光子共振工作的冷却

效果相比拟，所需的量子比特-腔耦合强度却低得多。

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（）尽管利用二能级量子比特的辅助可突破强光机械耦合限制，但体系的

量子反作用所导致的加热仍然存在。这限制了系统对机械振子的冷却效果，即量

子反作用限制。为此，在理论上提出一个具有主动拉曼增益(ActiveRamangain,

ARG)效应的三能级原子系综腔光机械系统模型，以实现体系基态冷却的优化和-

抑制加热过程。通过对系统冷却动力学的分析，发现系统能形成两个有效耦合模

式，依据有效耦合模式，能给出最大冷却率对应的驱动场失谐量。由于ARG效

应的影响，两个有效耦合模之间会形成量子干涉从而能够完全抑制加热过程，突

破了量子反作用限制。进一步研究表明，该系统在不可分辨边带条件下伴随着弱

的光机械耦合强度时仍然能够实现基态冷却。

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（）光的非线性相互作用在实现量子光信息处理中有着重要的影响，随后

研究了在三能级原子系综-腔光机械系统中的非线性光学调控。发现在腔场涨落

影响下，系统中原子的三阶极化率会产生两项自克尔非线性。第一项自克尔非线

性来源于典型三能级电磁诱导透明(Electromagneticallyinducedtransparency,EIT)

效应，第二项自克尔非线性则由腔场涨落引起，在腔内原子数很多情况下，其值

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能够比第一项大4个数量级。并且通过增强原子-腔和单光子光机械耦合强度可

以提高系统的自克尔非线性效应。进一步在系统外加一个机械驱动场，从而使系

统产生光子声子交叉克尔非线性，且其值受原子腔耦合强度和单光子光机械耦--

合强度的调控作用，而光子-声子交叉克尔非线性在测量机械振子的声子数方面

具有一定潜在应用价值。这些结果有望为产生强的克尔非线性提供一种新的方法。

4anti-StokesStokes

（）进一步地考虑和边带效应的影响，二能级量子阱

(quantumwell,QW)-腔光机械系统中的诱导透明现象。发现在anti-Stokes边带情

况下，即使只有一个输入光场下系统也会出现双电磁诱导透明(Double

electromagneticallyinducedtransparency,DEIT)效应。通过缀饰态理论对其做出解

释，发现在光机械相互作用下系统中能形成双暗态共振。同样的在Stokes边带

情况下，也能实现双暗态共振但是中间狭窄峰在不同耦合强度条件下表现为吸收

峰或增益峰。对于中间峰，量子阱腔和光机械耦合强度对其的影响具有竞争关-

系，并且这种竞争关系能够导致完全透明窗口的产生，这可有望用于无吸收光学

传播。进一步利用这个系统具有中间狭窄峰