双模交叉克尔型耦合系统中宏观量子叠加态的制备

利用双模交叉克尔型耦合光力系统中的光机耦合来制备宏观量子叠加态.考虑二能级原子与单模光腔的强耦合相互作用，并引入单模光腔与单模机械振子间双模交叉克尔型耦合.通过分析发现交叉克尔效应可以放大机械振子的位移，并且当耦合系数趋近于机械振子的振动频率时，可以制备出机械振子的可区分宏观量子叠加态.     

基于光机械系统的质量探测器

光机械系统在精密测量方面的应用关键是基于纳米机械振子与高品质光学腔之间的强耦合.利用光学腔耦合纳米机械振子的同时通过库伦力耦合另外的一个带电纳米机械振子,并利用双模光力诱导透明等量子特性,发现第二个纳米机械振子随着附加质量的不断增加,两个透明窗口之间的距离(透射光频率之差)不断减小,根据此关系可精密测量附加在第二个纳米机械振子上微小物体质量.     

基于多模腔光力系统的纠缠研究

基于由3个机械振子模和单模腔场组成的四模腔光力系统提出实现任意两个玻色模间稳态纠缠的理论方案.利用光学腔模和腔内3个机械振子模相互作用,通过调制驱动腔模的光场,获得系统类分束器相互作用有效哈密顿量,进而实现对非定域Bogoliubov模的冷却,并获得任意双模间的稳态纠缠.利用数值模拟方法系统讨论了振子频率、振子耗散、外驱动场对稳态纠缠的影响,结果表明:振子间频率适当的失谐有利于增强彼此间的纠缠,与压缩效应相比冷却效应起主导作用,这和三模腔光力系统中冷却效应和压缩效应相互竞争不同.     

基于级联非线性微腔的全光二极管研究

全光二极管是未来光通信和光计算中的关键器件之一.文中通过仿真实验,利用时域有限差分法研究了一种新型非线性光子晶体全光二极管的非互易光传输特性,提出通过利用两个超短脉冲泵浦对光子晶体直接耦合微腔与侧边耦合微腔分别进行泵浦,以对两个微腔的非线性光学双稳态进行精确调控,从而在较宽的工作带宽内(0.44 nm,是已报道的数十倍)实现信号光的单向高透射率(可达90%),同时可获得较高的正反向传输对比度(超过80).     

腔光力体系中非经典振动态研究进展

腔光力学描述了腔中电磁场和力学谐振器之间的相互作用,其在精密测量方面有着广泛的应用.近年来,随着微加工处理与实验技术的发展,不同腔光力体系中的诸多非经典量子现象被揭示,这对于探索宏观体系的量子现象、实现量子提高的超高精密测量以及相关量子信息处理等有着重要的意义.本综述简要阐述了近年来有关腔光力学中振动非经典态的研究,主要内容包括:腔光力学基本理论、腔光力振子基态冷却、腔光力体系中高斯和非高斯非经典振动态以及腔光力学在基础物理和实际领域中的潜在应用,这对于后续进一步探究腔光力体系中新奇量子现象起到促进作用.     

非线性光机械系统中的弱力探测

从理论上研究了包含光学参量放大器的非线性腔光机械系统的弱力探测性能.一方面,发现通过调节光学参量放大器的非线性增益以及输入光场与腔场之间的有效失谐,可以减小压缩正交中约14 dB的量子噪声,从而将弱力探测灵敏度提高2倍以上.另一方面,分析了非线性腔结合零差测量产生的反作用噪声相消现象并且实现量子非破坏测量的方法.     

基于空间Kramers-Kronig关系双色非互易光反射的动力学调控

光学非互易性是实现全光二极管、隔离器等新型光子器件的核心技术,这些器件具有高效、稳定、易于集成等特点,在量子计算和信息处理中尤为关键。本文通过设置2个耦合场强度随位置的变化,使探测场极化率满足空间Kramers-Kronig关系,实现双色非互易光反射的动力学调控,并讨论了探测光从介质的左侧和右侧入射的反射率对比以及耦合场失谐、耦合强度等对非互易光反射的影响。     

非对称TMP耦合实现非互易性传输

磁光结构中的OTS或者TPP可能会呈现非互易性。提出将一金属层嵌在2个不同的MPC之间,进行简单易行的非互易性传输,推导出TM波在外磁场Voigt效应下的磁光材料传播时的传输矩阵,得到了研究两非对称Tamm磁等离子体激元(TMP)结构的传输矩阵和透射率、场分布的计算方法,实现了可调的非互易性传输通道。     

6.65 W输出二极管抽运双包层光纤单频放大器

研究光纤放大器的耦合效率以及影响输出功率的因素.抽运源为光纤输出976 nm的半导体激光器,增益光纤为长4.4 m的D型掺Yb3 双包层光纤,信号源为自行研制的单块非平面环形腔激光器.抽运光的耦合效率为80%,信号光的耦合效率为44%,入纤抽运光功率为24 W,信号光功率为200 mW时,得到了6.65 W的净输出功率,放大倍数达到33倍.分别对信号光及放大输出的频谱进行测量,结果为1 064 nm的单频放大.实验表明,信号光对放大增益的抽取非常重要,在此实验中信号光尚未饱和,放大功率仍有提高的余地.     

基于准参量非线性晶体的非厄米超快激光放大

激光振荡器锁模是激光物理中的重要发现和超快科学中的核心技术，其本质是以耗散调控增益，进而改变激光振荡行为.这种以耗散调控增益的概念离不开谐振腔的反馈耦合，长期以来多局限于激光振荡器.对此，本文首先提出了准参量非线性的概念，不同于传统的二阶非线性光参量过程，准参量非线性基于耗散闲频光的准参量晶体，通过非线性耦合实现了以闲频光耗散对信号光放大的调控，对应着量子理论中的具有宇称-时间对称性的非厄米体系.准参量的放大行为由信号光增益、闲频光耗散以及非线性耦合三者之间的相互作用决定，起始阶段的信号光放大继续保持传统光参量放大的特性，而在最终的饱和放大阶段则呈现出类似能级型放大的非参量特性，从而同时具备光参量放大和激光能级型放大的综合优势.其次给出了准参量非线性的反直觉的超快应用：实现无需谐振腔的放大器锁模.最后，对这种基于准参量晶体的非厄米超快激光放大在激光物理创新中的更多未来应用前景进行总结展望.     

二次耦合对腔光振子的自治振荡调制

基于纳米机械谐振器的光腔交叉耦合模型,研究了光力二次耦合对光振子自治振荡的动态控制。针对之前工作仅局限于线性耦合过程,引入大位移情形下不可忽略二次耦合,研究了其对微振子动力学的影响。理论分析发现二次耦合的腔光力学系统具有参数振子效应,不但使振子更容易达到自治振荡,而且会诱发许多新的非线性动力学行为。在周期调制的光场驱动下,对绝热近似振子而言,二次耦合调控系统出现共振混沌行为;对全方程耦合系统而言,负的二次耦合能有效地降低能量共振频率,加强能量共振峰,在相同的参数条件下负的二次耦合使共振条件下极限环的面积扩大,预示着二次耦合可以有效控制振子能量的共振吸收。     

16.1W输出1064nm连续单频光纤放大器的实验研究

以976 nm光纤输出半导体激光器为抽运源,采用掺镱双包层光纤,对单块非平面环形腔激光器（NPRO）产生的1 064 nm连续单频信号光进行放大.当入纤抽运光功率49.6 W,信号光功率200 mW时,由10 m长的增益光纤获得了最高功率16.1 W的连续单频激光输出.采用不同长度的增益光纤进行对比实验,分析了在一定的抽运光功率和信号光功率条件下,光纤长度对放大输出功率的影响.研究了放大器的输出光谱特性,分析了信号光对光纤中放大自发辐射的抑制情况.用F-P频谱分析仪对放大前后的频谱进行测量,证实放大器实现了单频放大.     

16.1 W输出1 064 nm连续单频光纤放大器的实验研究

以976 nm光纤输出半导体激光器为抽运源,采用掺镱双包层光纤,对单块非平面环形腔激光器(NPRO)产生的1 064 nm连续单频信号光进行放大. 当入纤抽运光功率49.6 W,信号光功率200 mW时,由10 m长的增益光纤获得了最高功率16.1 W的连续单频激光输出. 采用不同长度的增益光纤进行对比实验,分析了在一定的抽运光功率和信号光功率条件下,光纤长度对放大输出功率的影响. 研究了放大器的输出光谱特性,分析了信号光对光纤中放大自发辐射的抑制情况. 用F-P频谱分析仪对放大前后的频谱进行测量,证实放大器实现了单频放大.     

基于耦合腔系统的相互作用自由的全光开关

利用量子干涉效应,在耦合腔系统中提出了一个相互作用自由的全光开关方案。在该方案中,两个腔通过光子隧穿效应耦合起来。当一个控制场与第二个腔中的原子相互作用时,信号光直接被第一个腔反射回去,因此信号光与控制光在原子-腔系统中没有发生直接耦合作用。本文方案即使在原子和腔之间不满足强耦合条件时也可以很好工作,从而放宽了实验条件下实现光开关的腔强耦合条件。     

多声子系统的多光机械诱导透明

提出了一个光学腔中包含三个可移动镜子的混合腔光机械系统的理论方案,这个光学腔被一束较强的耦合场和一束较弱的探测场驱动与三个机械振子线性耦合.利用平均场近似理论,得到系统的稳态解,并数值模拟了系统输出的探测场随失谐的变化关系.分析与数值结果显示,当三个机械振子的振动频率互不相等时,该系统出现三个透明窗口,当三个振子的振动频率两两相等、或三个都相等时,三透明就变成了双透明或单一透明窗口;同时发现,在所选取的参数范围内,腔场与振子之间的有效耦合系数及腔场的衰减率能够调控透明窗口的宽度,有效耦合系数越大或衰减率越小,透明窗口越宽;如果腔中存在N个机械振子,当N个机械振子的频率互不相等时,此系统会出现N透明现象,否则,透明窗口的个数会有所减少.     

基于耦合量子点-纳米机械振子系统的马约拉纳费米子探测

理论提出一种光学探测马约拉纳费米子的方法,该方法完全不同于当前基于隧穿谱电学测量马约拉纳费米子的方案.该光学探测方案包含由两束光场驱动的量子点-纳米机械振子复合系统.当量子点与马约拉纳费米子耦合时,相干光学谱中的信号表明铁磁原子链中明确的马约拉纳费米子迹象.引入测量量子点-马约拉纳费米子耦合强度的方法,为该耦合强度的测定提出一种直观的全光学测量方法.进一步研究了量子点-纳米机械振子系统中纳米机械振子在探测马约拉纳费米子过程中所起的作用,纳米机械振子表现出声子腔的行为显著地增强了激子共振谱,提高了对马约拉纳费米子探测的灵敏度.该光学方法为马约拉纳费米子的探测方案提供了一种潜在的补充,也为实现基于铁磁链中马约拉纳费米子的量子信息处理提供理论基础.     

基于微腔中自生长量子点的量子光信息存储

提出一个基于微型圆盘光学谐振腔（microdisk structure cavity）中自生长量子点的量子光信号存储方案,该方案利用量子光场和量子点系综自旋态之间的Raman过程来实现长时间的量子光信号存储.该方案的主要优势在于：使用全光学Raman过程来耦合光信号和腔中量子点的导带能级,使系统有可能存在较长的相干时间.此外,这种微腔中自生长量子点的工艺比较成熟,使该方案便于实验上实现、控制和大规模集成.     

耦合腔光机械系统中两个机械振子的态交换

本文研究了一个由光纤连接的两个法布里-帕罗腔所组成的耦合光机械系统,每一个腔都是由一个固定的镜子和一个移动的镜子组成,移动的镜子可以看作机械振子,同时,这两个腔模都被经典激光场驱动,则在腔场与腔场之间,镜子与腔场之间,以及经典激光场和腔场之间都会产生相互作用。通过变换绘景、绝热剔除、旋波近似忽略高频项等量子光学的处理方法消除哈密顿中的两个腔模,得到了两个声子模之间有效的哈密顿;在假设两个机械振子的初态是相干态的情况下,解析出两个耦合的机械振子能够进行态交换;最后,为了验证解析结果,数值模拟了系统量子态的保真度,模拟结果表明,解析结果与数值模拟是自洽的,两个机械振子之间可以周期性地进行态交换。     

基于与两个巨原子相互作用的一维波导QED的非互易光子传输

通过两个全同巨原子分别有效地耦合到一维波导的两个位置,探索了波导中单光子的散射特性,提出了非互易量子开关的理论实现方案.方案中,基于两个全同原子与一维波导组成的耦合系统哈密顿量,计算得到了系统约束态,并通过调整巨原子与波导的耦合位置和耦合系数等参数模拟得出了单光子的散射特性.研究发现:当巨原子的两个引脚的间距L满足kL...     

电荷比特的超强藕合实现及量子态转移

基于超导量子电路中光与物质相互作用强度的可调性,研究了库珀对盒子(Cooperpair box,CPB)与LC谐振电路耦合的电路模型,证明了可以通过减小CPB的约瑟夫森能量和增加LC谐振子阻抗,实现光与物质的超强耦合(ultra-strong coupling,USC)和深度强耦合(deep-strong coupling,DSC)相互作用.在此基础上,进一步提出了具有一定抗噪性的USC双比特超导电路模型,并以该模型作为非相干中介实现了两个Transmon系统间的量子态转移(quantum-state transfer,QST).研究结果为在超导量子系统中实现USC相互作用提供了新的方案,并有望进一步应用于量子调控、量子模拟和量子信息处理等领域.