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《上海交通大学》 2012年
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玻色—爱因斯坦凝聚体腔光机械系统中的光传播特性研究

陈彬  
【摘要】:光机械系统是近年来被提出并引起广泛关注的一个研究课题。一个典型的光机械系统一般由一个纳米光腔和一个纳米机械振子耦合形成。在该系统中,内腔场强辐射压驱动机械振子在其固有频率附近作机械振动,而该振动反过来将会调制光场的分布,因而在场辐射压作用下,机械振子和光场由于相互调制而耦合在一起。因为光机械系统把光场与力学元件耦合在了一起,因此我们可以通过改变光场来调节力学元件的运动状态,如通过控制光场可以实现将力学振动冷却至其振动基态。相反,我们也可以通过改变力学元件的特征而实现对光场的有效调节。基于此原因,光机械系统在精密测量、经典及量子信息处理、光开关及光存储等领域有着潜在的应用价值。 在玻色-爱因斯坦凝聚体与光腔耦合的系统中,实验证明玻色-爱因斯坦凝聚体在光腔中的集体振动可近似看做一个机械振子的简谐振动,在内腔场辐射压的作用下,该振动与内腔场耦合在一起,形成一个典型的光机械系统。在本论文中,我们研究了玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统中的非线性光学效应及光传播特征。通过求解体系满足的海森堡运动方程并利用腔满足的输入-输出关系,我们得到了探测光的透射率及四波混频的相对输出强度。以实验数据为实际参数,我们进行了具体的数值计算,分别讨论了在有效腔-泵浦失谐量满足“红”失谐和“蓝”失谐条件下泵浦光场对探测光场透射谱的调控作用。我们研究了该耦合系统中的慢光效应及四波混频效应,并基于该光机械系统提出了实现全光晶体管和单光子路由器的设计方案。全文共分为如下六章。 在第一章中,介绍了几种典型的光机械系统并对其研究进展做了较为详细的综述,介绍了慢光效应及全光开关和全光晶体管的研究进展,最后介绍了本论文的研究内容及全文的结构安排。 在第二章中,研究了玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统中的慢光效应。在该系统中,由于内腔场辐射压驱动玻色-爱因斯坦凝聚体的集体振动与内腔场相耦合,因此,玻色-爱因斯坦凝聚体的集体振动将改变腔的有效长度因而调节腔的有效频率。当有效腔-泵浦失谐量满足“红”失谐条件时,在泵浦光场的驱动下,共振探测光束通过该耦合系统时将受到泵浦场的有效调制。随着泵浦场振幅的增大,共振探测光的透射率增大,其相位也急剧增加。因而共振探测光的群速度将大大减小,即探测光会发生延迟。研究结果表明,在该系统中探测光的延迟时间最长可达0.8ms. 在第三章中,研究了在有效腔-泵浦“蓝”失谐条件下玻色-爱因斯坦凝聚体与光腔耦合形成的光机械系统中的光传播特征。在“蓝”失谐条件下,由于玻色-爱因斯坦凝聚体的集体振动和内腔场的相互作用哈密顿量呈现放大的特征,因此当泵浦光功率达到某一临界值时,系统相互作用项的放大特征将起主要作用,共振探测光的透射将被有效地放大。共振探测光的放大率起初随着泵浦光功率的增大而增大,最后随之趋于饱和。根据“蓝”失谐条件下泵浦光对共振探测光的放大作用,我们提出了利用玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统实现全光晶体管的方案。 在第四章中,研究了玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统中的四波混频效应。在该耦合系统中,由于在内腔场辐射压的驱动下玻色-爱因斯坦凝聚体的集体振动与内腔场耦合,因而在玻色-爱因斯坦凝聚体集体振动的激发下,腔内将发生由两个泵浦光子和一个探测光子参与的四波混频过程。研究表明,泵浦光场对四波混频的产生起开关的作用,四波混频的输出强度随泵浦场功率的增大而增大并最后趋于饱和。 在第五章中,研究了玻色-爱因斯坦凝聚体与双边透射腔耦合形成的光机械系统中的光传播特征。在该耦合系统中,由于光腔是双边透射腔,因而探测光子既可以从右腔镜透出也可以从左腔镜透出。我们研究了该系统中泵浦光在满足有效腔-泵浦“红”失谐条件下对探测光透射的调控作用。研究表明,当仅用一束共振探测光驱动该耦合系统时,共振探测光将完全从右腔镜透出;而当用理想功率的泵浦光以及共振探测光共同驱动该系统时,共振探测光却完全从左腔镜透出。因而,在该系统中,可以通过调节泵浦光来有效地控制探测光的路径。根据这一原理,我们提出了基于该耦合系统实现单光子路由器的设计方案。 第六章对本论文的研究成果做了详细的总结并对后续的研究工作做了进一步的展望. 本论文的研究得到了国家自然科学基金(10774101和10974133)和教育部高校博士点基金的资助。
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