混杂腔光机械系统中的双色电磁诱导透明现象研究

论文总字数：16860字

摘 要

关键词：混杂腔光机械系统，电磁诱导透明，耦合强度，转换频率

Abstract: In this paper, we study how to generate two-color electromagnetically induced transparency (EIT) in a hybrid cavity optomechanical system. The transmission characteristics of the probe field were studied by a hybrid optomechanical system consisting of a cavity and a mechanical resonator with a two-level system. The mechanical resonator is coupled to the cavity field by radiation pressure and interacts with the qubit through Jaynes-Cummings. We find that the dressed two-level system and mechanical phonons can form two sets of three-level systems. Therefore, there are two transparent windows in the system. This effect is interpreted as a two-color optomechanically induced transparency. In addition, we show how to switch between one and two transparency windows by changing the transition frequency of the qubit. Finally, we demonstrate that the system"s absorption and dispersion are mainly affected by qubit-phonon coupling strength and the qubit transition frequency.

Keywords: Hybrid cavity optomechanical system, Electromagnetically induced transparency, Qubit

目 录

1 绪论 4

1.1腔光机械系统 4

1.2 电磁诱导透明 6

1.2.1基本原理 6

1.2.2腔光机械系统中的电磁诱导透明现象 7

2 混杂腔光系统中的双色电磁诱导透明现象 9

2.1 引言 9

2.2 模型和理论 10

2.3 稳定状态和稳定性分析 12

2.4 电磁感应透明 16

结 论 20

参考文献 21

致 谢 22

附 录 23

1. 绪论

当麦克斯韦提出他的著名方程时，我们理论上推导出光的机械效应，即辐射压力。100多年前第一次在实验上观测到辐射压力，这种微小的力在很长一段时间内几乎没有被应用；但是这在激光发明后发生了明显变化，激光保证了高强度、相干光源，因此得以应用。在20世纪70年代，高度聚焦光束产生的辐射压力成为一种捕获小颗粒的工具。然后，它被用于激光冷却单个原子的平动运动，随后导致了玻色-爱因斯坦凝聚的产生，这是一个纯粹的量子态。

最近，微加工技术的发展使辐射压力得以应用在更宏观的机械振子的运动模式，这在物理学上创造了一个新的前沿，即量子光力学。到目前为止，器件已经实现从几百纳米到几十厘米的跨越，但是它们都主要利用辐射压力来产生、检测和利用机械量子态。使用激光冷却达到机械量子基态是这类工作的一个重要目标。光量子涨落引起的辐射压力波动，即辐射压力噪声，是另一个重要的课题，它设定了光学干涉位置测量精度的极限。观察辐射压力噪声仍然是进一步提高精确位置测量的关键的第一步。在光场与机械运动之间的非线性光学相互作用也有可能产生非经典的光和机械运动状态，例如光挤压、机械压缩态以及光场与机械装置之间的纠缠。

1.1腔光机械系统

在过去的几年里，许多团队提出了各种各样的方法来满足这些要求并实现激光冷却，在这里我总结了一些近些年来已经达到或接近于量子基态的实验。

1、带有可移动端镜的光腔

Aspelmeyer团队使用了一个微机械共振器，并在其上放置了一个多层介质布拉格反射镜，它作为法布里珀罗腔的可移动端镜。这些机构致力于制造具有良好光学质量和低机械损耗的端镜。可移动镜的有效质量为，其基本机械频率为，机械。空腔线宽为，使其设置轻微进入已解决的边带限制。从开始，他们能够将机械运动冷却到30个声子，使用7兆瓦的冷却功率。这种最小的声子数受到机械振子和热环境之间的热耗散的限制。

2、微型和微球中的回音壁模式

如图（a）(b)(c),在这些实验中，光通过一个易消散的磁场耦合到一个硅胶或球体中，并通过内部反射多次反射到设备内部，这就创造了一个高精细的光学谐振腔。光耦合到圆环的径向呼吸模式，并改变光程长度。由于这些设备的体积小(通常为10级)，它们的振动模式通常在MHz或更高的10s处开始。在Kippenberg集团最近的研究中，他们使用了一种具有空腔线宽的硅微环面，以及机械频率的，在已解决的边带内。从或热声子号，有效的声子数被冷却到的激光功率。由光学吸收引起的加热开始限制冷却过程。后来，他们用一种更高的光学技术，在一个4He的冰箱里从600 mK开始，冷却了70 MHz的机械模式，下降到9个声子。最近，他们使用了一种由尖刺支撑的改良的微环，以减少机械阻尼和有效质量。从3He冰箱的600 mK开始，他们将78 MHz的机械模式冷却到1.7个声子，受到光学模式和机械模式之间强烈耦合的限制。

同样，Park等人在不对称的微球中使用了回音壁模式。在这种情况下,腔宽,机械模式。由于硅的超声衰减，最小的声子数量受到低机械质量因数的限制，并从开始，有效声子数下降到37。

（a）环形光机械系统 （b）环形光腔 （c）环形光腔中辐射压耦合

扫描电镜图 结构分析图 光学膜和力学膜的示意图

3、其它纳米机械装置

最近，Painter团队利用从光子晶体领域借来的技术，设计了一种硅纳米束，并在中间加入了扰动，这就在光束中心附近产生了一个局部的光学机械共振，并通过辐射压力产生耦合，机械模式频率为。他们还在纳米束的外围创建了一个声子带隙屏蔽，以增加机械品质因子，光学线宽为。从开始，他们可以用激光将机械模式的声子冷却到0.85。

4、超导微波谐振腔

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