机械驱动下宇称-时间-对称的光力系统中的快慢光效应

论文总字数：14246字

摘 要

我们研究了宇称-时间-对称的光力系统在一束强的控制场和一束相干机械驱动场作用下对一束弱的探测场的响应。光腔的光学增益可以导致探测场的透射率在控制场功率较低时可以大于1，并且调节机械驱动场的振幅和相位时可以使得探测场透射率进一步增大或者抑制。此外，施加的场使得透射探测场的相位色散受到调制，从而可以用来调节探测场的群速度延迟。该光力系统中存在的快慢光效应可以通过调节增益-损耗率、控制场功率以及机械驱动场的振幅和相位等多个参数进行控制。该工作提供了一种可以更加灵活地控制光传播的平台。

关键词：宇称-时间-对称的光力系统，探测场透射率，快慢光效应

Abstract：We study the response of parity-time (??)-symmetric optomechanical systems with tunable gain and loss to the weak probe field in the presence of a strong control field and a coherent phonon pump. We show that the probe transmission can exceed unity at low control power due to the optical gain of the cavity and it can be further enhanced or suppressed by tuning the amplitude and phase of the phonon pump. Furthermore, the phase dispersion of the transmitted probe field is modified by controlling the applied fields, which allows one to tune the group delay of the probe field. Based on this optomechianical system, we can realize a tunable switch between slow and fast light effect by adjusting the gain-to-loss ratio, power of the control field as well as the amplitude and phase of the phonon pump. Our work provides a platform to control the light propagation in a more flexible way.

Keywords: Parity-time-symmetric optomechanical systems, Probe transmission, Slow and first light effect

目 录

1 绪论 4

1.1光力学简介 4

1.2光力系统 4

1.3慢光效应简介 6

2 机械驱动下宇称-时间对称的光力系统中的快慢光效应 7

2.1前言 7

2.2模型和理论 8

2.3 机械驱动调制的探测场透射谱 12

2.4透射探测场中可控的慢光和快光效应 15

结论 19

参考文献 20

致谢 21

1 绪论

1.1光力学简介

腔光力学是近年进展非常迅速的一个领域，受到了广大科研人员的广泛研究。光力学本质上是利用光的辐射压将光学和力学两者的自由度耦合在一起，而且这种耦合可以存在于宏观尺度的相关引力波探测器和微观尺度扫描电镜的悬臂上。与此同时，随着微纳米工艺技术^[1]的不断成熟，在光力系统中越来越多的量子现象被加以证实，进而使得光力学领域成为人们着手研究的热点。

最早提出光具有辐射压的是天文学家开普勒，他提出彗星的彗尾是由于“太阳风”产生的，如今 “太阳风”已经被科研人员证实其本质就是太阳光的辐射压。在1871年，Maxwell从理论方面推论出光的辐射压的存在。1901年，多名物理学家分别用实验证明的光具有辐射压的存在。1909年，科学家爱因斯坦成功推导证明光产生辐射压的本质是光具有动量。1906年第一台红宝石激光器的问世使得光与物质的相互作用迈入一个新的阶段。1970年，贝尔实验室的科学家成功得利用光的辐射压捕获介电子。1995年，科学家们利用激光冷却技术^[2]观察到了玻色-爱因斯坦凝聚。

1.2光力系统

1.2.1光力系统研究背景

当今，物理学领域的一项非常重要的研究方向就是光与物质的相互作用。但是以前，我们生活中的电器光源、自然界中的光源和实验使用的光源对于深层次的物理实验研究来讲是相当微弱的，难以探测出光与物质的相互作用，因此有科学家发明了第一台红宝石激光器，而该激光器能产生高亮度、高强度、方向性好并且单色性良好的光束，科研人员在使用激光器研究光与物质相互作用时进一步发现的符合理论推导的结果。当今，人们引入腔光力系统^[3]的概念，为进一步研究实现光与物质相互作用的实验提供了更多的理论基础。目前，腔光力系统简单模型如图1. 1所示，图中的模型由两个腔壁组成，左侧腔壁固定不动，右侧腔壁可以在平衡位置做微小振动。用一束泵浦光通过左侧腔壁透射进入该光机械系统，可移动的右侧腔壁因泵浦光束在光强腔内来回反射产生的辐射压而导致偏离其平衡位置，与此同时，光腔的长度将会随着右侧腔壁位置的改变而改变，进而导致腔模偏离自身的固有频率，从而改变光腔内光束的强度。由此可以知晓，在强力的辐射压作用于光腔时，腔壁的位移与光腔腔场内的强度分布会相互影响，相互反馈，这使得该光机系统成为一个复合式系统，并且这个复合式系统是光与机械振子耦合而成的，人们把这种系统称之为光力系统。

图1. 1光力系统示意图。A为光腔一端固定的腔壁，B为另一端可以在平衡位置附近做微小振动的腔壁，相当于连在一个弹簧上，腔内光场通过光压与腔壁B的机械运动耦合。

近年来，光力系统有很多潜在的应用，如基态冷却、量子非线性研究、振子与腔场间的量子纠缠、光力诱导透明^[4]及光力诱导吸收^[5]等。

1.2.2几种常见的光力系统

（一）法布里-珀罗腔光力系统

法布里-珀罗腔光力系统是比较经典的腔光力系统。它主要是由两个相互平行放置的经过抛光的铌球镜构成，如图1. 2（a）所示固定左侧腔镜，而右侧腔镜可以自由振动，当给予腔场一束激光驱动，光腔中的光场便会产生一个对右侧腔镜的辐射压，辐射压将促使右侧镜面产生受迫振动。而且振动的镜面也会使光腔的有效长度发生变化，从而改变腔内的光强以及光腔的振动模式，这种在辐射压力作用下腔场与腔镜相互耦合并相互调制的效果即是法布里—珀罗腔光力系统。

（二）薄膜腔光力系统

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