薄膜腔光力系统中激光辐射压诱导四波混频过程的研究

发布时间：2020-07-27 20:26

【摘要】：光与物质的相互作用是量子光学的重要研究领域。在该领域中,腔光力学虽然诞生较晚,却以其独特的性质与广泛的应用前景成为了研究的热点之一。腔光力学的主要研究对象是光学腔内的光场通过辐射压力同介观尺度的机械振子的相互作用,其研究内容不仅涉及量子光学,还涉及到微纳光子学,材料科学以及机械科学等等领域。作为一个新兴的交叉学科,腔光力学的兴起会不可避免地促进量子声学的独立和发展。在基础研究方面,腔光力学为量子物理中宏观尺度物体的量子现象以及量子经典边界等研究提供了良好的平台。在应用方面,可以用于探测极其微弱的力、质量和位移的变化,乃至于引力波的探测。此外,在量子信息处理方面,腔光力学系统不仅可以提供良好的信息存储载体,同时也可以充当信息在不同波长的载波之间相互转换的媒介。本论文致力于薄膜腔光力系统的理论和实验研究,包括系统的色散耦合,高机械品质因子薄膜谐振子的制备,机械模式的冷却,薄膜腔光力系统中光辐射压诱导四波混频过程的理论机制及实验实现。本论文主要分为四个部分:1,将高张力的氮化硅薄膜谐振子放置在高精细度的法布里-珀罗腔中,搭建了薄膜腔光力实验平台。从理论上分析并在实验中测量了薄膜折射率的实部和虚部分别对薄膜腔光力系统光学模式的光学色散响应和光学耗散的影响。在此基础上,还研究了由于薄膜表面同腔内光场波前不重合导致的多模激发以及强非线性耦合现象。2,详细分析了影响机械谐振子机械损耗的各种因素,包括由于内部分子间摩擦所引起的内生弯曲损耗和由于机械能量逃逸产生的额外损耗,后者也称为声子隧穿损耗。在我们目前的实验条件下,声子隧穿损耗是制约薄膜谐振子机械品质因子提高的最大因素。本文提出两种方案来抑制声子隧穿损耗以提高薄膜谐振子的机械品质因子。第一种为使用光纤微梁结构将薄膜所在的硅基片同外界隔离,光纤微梁产生的较大的声学阻抗失配可以很好地抑制机械波的传播,从而抑制声子隧穿损耗。通过这种方法将室温下的薄膜谐振子基模的机械品质因子提高到了10~6以上。第二种方法为直接在薄膜谐振子所在的硅基片上制作低频谐振子结构,通过低频谐振子作为声学低通滤波器,抑制较高频率的机械波的传递,从而抑制了声子隧穿损耗,这种方法可以将多个模式的机械品质因子同时提高到10~6以上。3,将机械运动模式冷却到接近乃至达到量子基态是将腔光力系统推进到量子区域、实现光场的量子起伏同机械振子相互作用的先决条件。本文对目前已有的边带冷却方案进行了理论的分析,得出了边带冷却的极限,并得出了系统进入强耦合区域的条件。由于双模压缩型相互作用的存在,边带冷却方案在非可分辨边带区域并不适用,但探测反馈冷却方案在此区域却有良好的表现。本论文依据全量子理论对反馈冷却进行了理论分析并得出了其同探测效率相关的冷却极限。据此提出在探测效率较高的薄膜腔光力系统中实现反馈冷却的方案,理论上可以将薄膜谐振子的基模振动模式冷却到平均声子数小于一个,即达到量子基态。4,四波混频过程广泛存在于原子系统,非线性晶体和光纤等非线性介质中,并已经应用于纠缠光场的产生和光频率梳的制备等方面。由于这些介质中的能级结构是天然形成的,仅有特定频率范围的激光可以同其进行相互作用并产生四波混频过程。但是,腔光力系统的能级结构可人为控制,可以工作在极宽的光波长范围内,甚至是在微波波段。目前对光辐射压诱导的四波混频过程的研究集中于可分辨边带和光力强耦合方案。本文提出在非可分辨边带区域实现光力四波混频的理论方案,并在薄膜腔光力系统上首次实现了多模可操控的四波混频过程,同时进一步在薄膜谐振子两个不同的机械模式上观察到了四波混频过程;并通过控制泵浦光的强度和失谐实现了四波混频过程的有效操控。该过程在数十微瓦的弱泵浦光条件下实现了对微弱信号光的显著放大,且可以产生线宽极窄的频率响应曲线,未来在光学频率标准等方面有潜在的应用价值。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O431.2
【图文】：

彗尾,近日点,彗星

之间的相互作用，光力学（Optomechanics）应运而生。光场的力施加外力，影响其运动状态，而运动的物体又会反过来对光场有所场力学效应引起的光场同机械谐振子的相互作用，正是光力学的学腔将光场增强，光力学进入到研究腔模光场和机械振子相互作用ity Optomechanics）范围[1]。力学效应主要可分为辐射压力和光梯度力两种。光的辐射压力又于光子的动量。当光从物体表面反射时，可以认为光子对物体有冲著名天文学家开普勒在观察彗星的运动情况的时候，就发现彗星时，彗尾会劈裂为两条。其中一条同彗星的运动方向相关，而另一的方向（图 1.1）[2]。这是由于在太阳光辐射压的作用下，较轻的体彗尾，永远背向太阳。而较重的尘埃微粒收到光辐射压力的影响彗尾。然而，由于单个光子所携带的动量较小，光辐射压力的研究以来始终没有较大的进展。尽管利用太阳光作为宇宙飞船的前进就被提出，太阳帆飞船的进展却一直命途多舛。

模型图,FP腔,模型,平均场

第一章绪论别表示由于左右两面腔镜引起的损耗，则此时内腔场光场湮灭 0.2ex in va t i a t a t a t х 为失谐量，表示由于光学腔内生损耗引入的真空式可以得到稳态下腔内平均场：.2exinai 为输入场的平均场。稳态下腔内平均光子数光子数同外部输入平均光功率的关系为： 22.2ex incLPn

机械谐振,谐振子,光力学,光学腔

第一章绪论其中， (х ) Ъ 表征了光学腔对于外界驱动场的响应，称为光学腔的光学敏感度（Optical susceptibility）。同样地，输出场的起伏量满足： 0 0,out c ex in v vd d a a(1.11)1.3.2 机械谐振子作为和腔内光场相互作用的对象，机械谐振子在腔光力学研究中扮演了举足轻重的地位。目前为止，已经有多种谐振子应用于腔光力学研究中。图 1.3 中给出了目前常用的几种机械谐振子，包括激光干涉引力波天文台中使用的端面腔镜，微悬镜[80]，微盘腔[1]，薄膜谐振子[81]，微梁谐振子[52]，光子晶体线[1]以及冷原子[1]等等。在本节中将详细阐述表征机械振子机械运动模式的物理量以及运动方程的量子化。

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