《腔光力系統(tǒng)探究進(jìn)展》12000字（論文）

目錄II腔光力系統(tǒng)研究進(jìn)展摘要近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)谇还饬ο到y(tǒng)的研究方面取得了令人矚目的成就。典型的空腔力系統(tǒng)由兩個(gè)反射鏡組成，一個(gè)固定且部分透射部分反射的鏡子，另一個(gè)完全反射的鏡子沿著一定方向振動(dòng)，此鏡子可視為諧振子。在腔光學(xué)系統(tǒng)中，有許多有趣的現(xiàn)象，如：四波混頻、機(jī)械振子的基態(tài)冷卻、光力誘導(dǎo)透明、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)、量子糾纏等。迄今為止，腔光力系統(tǒng)中的量子光學(xué)效應(yīng)作為一個(gè)非常熱門(mén)的研究方向引起了研究者的關(guān)注。本文主要介紹了光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)展。首先說(shuō)明了腔光力系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論。其次介紹了一些關(guān)于腔光力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)以及研究進(jìn)展。這些實(shí)驗(yàn)有懸掛鏡、光學(xué)微諧振器、波導(dǎo)和光子晶體腔、懸浮和懸浮的納米物體、微波諧振器、超冷原子等。腔光力系統(tǒng)還有其他的研究方向，例如：機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光學(xué)測(cè)量，動(dòng)態(tài)反向作用放大和冷卻，非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)，多模光力學(xué)等。近兩年來(lái)的實(shí)驗(yàn)也圍繞著這幾個(gè)已經(jīng)列出的方向拓展開(kāi)來(lái)，隨著不斷研究，人們將能夠充分利用微機(jī)械和納米機(jī)械設(shè)備的全部功能。關(guān)鍵詞：光學(xué)腔；腔光力系統(tǒng)目錄第一章緒論 11.1背景介紹 11.2腔光力系統(tǒng)在量子光學(xué)領(lǐng)域的科研進(jìn)展 11.3本論文研究的內(nèi)容、意義及全文結(jié)構(gòu) 2第二章腔光力系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 32.1腔光力系統(tǒng) 32.2腔光力系統(tǒng)基本理論 32.2.1腔光力系統(tǒng)經(jīng)典分析 32.2.2腔場(chǎng)與諧振子耦合的量子化描述 52.2.3量子腔光力系統(tǒng) 62.2.4腔光力系統(tǒng)的哈密頓量 7第三章實(shí)驗(yàn)及研究進(jìn)展 83.1實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn) 83.1.1懸掛鏡 83.1.2光學(xué)微諧振器 93.1.3波導(dǎo)和光子晶體腔 103.1.4懸浮和懸浮的納米物體 113.1.5微波諧振器 113.1.6超冷原子 123.2研究進(jìn)展 13第四章總結(jié)與展望 14參考文獻(xiàn) 16第一章緒論1.1背景介紹2012年7月，加州理工學(xué)院的Keith教授、維也納大學(xué)的Markus教授和亞利桑那大學(xué)的Pierre教授在《今日物理學(xué)》（PhysicsToday）上發(fā)表了一篇關(guān)于量子腔光力系的文章：早在2000年前，學(xué)者們就已經(jīng)清楚地了解了機(jī)械部件的重要作用，并解釋了這個(gè)概念，例如，在柏拉圖的《理想國(guó)》中：“相同事物的相同部分不會(huì)同時(shí)受相反的動(dòng)力”[1]。現(xiàn)在研究人員繼續(xù)用機(jī)械元素慢慢地探索世界。與前人不同的在于，他們準(zhǔn)備著重關(guān)注量子領(lǐng)域，一步步挑戰(zhàn)傳統(tǒng)意識(shí)。納米技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展催生出許多先進(jìn)的材料，而這些材料又可以生產(chǎn)出極其靈敏的納米器件，幫助我們?cè)谠映叨壬弦苑直媛侍綔y(cè)太空。量子光學(xué)對(duì)光與物質(zhì)相互作用的一系列相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了深入的分析。量子光子學(xué)包括兩個(gè)方面：光腔與機(jī)械振蕩器耦合，形成空腔光力系統(tǒng)，人們可以通過(guò)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)來(lái)獲得對(duì)光的機(jī)械控制或量子效應(yīng)的控制。因此，在腔光力系統(tǒng)中，量子性質(zhì)可以由千克變?yōu)楹廖⒖恕Ｗ鳛橐环N能夠?qū)嶋H控制宏觀(guān)物體量子態(tài)的腔光力系統(tǒng)，它的精度可以達(dá)到量子極限?？涨涣ο到y(tǒng)是一種光腔受力控制的裝置。其中，振動(dòng)機(jī)制可以產(chǎn)生連續(xù)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，由此產(chǎn)生的量子稱(chēng)為聲子。該系統(tǒng)可視為光腔，一端空腔的鏡像附著在彈簧上移動(dòng)。引力波探測(cè)器教學(xué)于20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來(lái)，采用了原有的腔體光學(xué)力系統(tǒng)。它可在一秒內(nèi)檢測(cè)到的位移靈敏度為10?19m/Hz[2]。近30年的研究分析：引力波天文學(xué)[2]是可能的；測(cè)控微觀(guān)1.2腔光力系統(tǒng)在量子光學(xué)領(lǐng)域的科研進(jìn)展在近幾年中光力系統(tǒng)已成為眾多理論與實(shí)驗(yàn)研究的焦點(diǎn)，它最令人驕傲的一項(xiàng)科研成績(jī)是用玻色--愛(ài)因斯坦凝聚體替代腔鏡繼而顯現(xiàn)出多種腔光力學(xué)效應(yīng)。腔光力系統(tǒng)是一極其有科研價(jià)值的典型系統(tǒng)，科研者們對(duì)該系統(tǒng)中出現(xiàn)的許多量子光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。隨著激光的問(wèn)世與其飛速的發(fā)展，我們對(duì)非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象的研究就變得十分必要。非線(xiàn)性效應(yīng)在光信號(hào)處理中應(yīng)用廣泛且新型的現(xiàn)象不斷出現(xiàn),這極大的有助于我們的研究。1961年美國(guó)的P.A.弗蘭肯[4]和他的同事們首次在實(shí)驗(yàn)上觀(guān)察到二次諧波。他們把紅寶石激光器發(fā)出的3kW紅色（6943?）激光脈沖聚焦到石英晶片上，觀(guān)察到了波長(zhǎng)為3471.5?的紫外二次諧波。XiongHao[9]近年來(lái),腔光力系統(tǒng)是量子光學(xué)效應(yīng)中非常具有特色的研究課題，科究者們希望挖掘出其中更多超高性能。腔光機(jī)械相互耦合所應(yīng)用的非線(xiàn)性特性作為光力系統(tǒng)的一個(gè)重要研究域,在經(jīng)典和量子力學(xué)裝置中越發(fā)變得有趣。最近，江成[5]等人已經(jīng)證明，一個(gè)典型的兩模腔光力系統(tǒng)被頻率為ω1的強(qiáng)泵浦場(chǎng)和頻率為ω1.3本論文研究的內(nèi)容、意義及全文結(jié)構(gòu)近年來(lái)，腔體光學(xué)力系統(tǒng)的逐步發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生了許多應(yīng)用。隨著對(duì)腔光力系統(tǒng)研究的逐步深入，研究者們將原子與機(jī)械振蕩器耦合，改變其特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了許多新的量子行為，如克爾非線(xiàn)性[6]。光腔力系統(tǒng)在量子光學(xué)的應(yīng)用不斷完善，可以用作于高精度儀器的測(cè)量。因此，人們將腔光力系統(tǒng)應(yīng)用于超高精度質(zhì)量測(cè)量等方面。本文主要討論了光學(xué)力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和研究進(jìn)展。第一章介紹了腔光力系統(tǒng)的相關(guān)研究背景、量子光學(xué)特性的研究狀況，介紹了腔光力系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容、研究意義和論文框架。第二章介紹了腔光力系統(tǒng)的理論知識(shí)和外輻射壓力下諧振子的哈密頓量。第三章總結(jié)了一些已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)及理論發(fā)展。第四章總結(jié)了論文的內(nèi)容，并對(duì)今后的工作提出了一些展望。致謝參考文獻(xiàn)第二章腔光力系統(tǒng)理論基礎(chǔ)2.1腔光力系統(tǒng)腔光力學(xué)是一門(mén)結(jié)合了光腔和諧振腔的學(xué)科。上世紀(jì)80年代,德國(guó)普朗克量子光學(xué)所的A.Dorsel及其合作伙伴成功地觀(guān)察到了輕微壓力對(duì)機(jī)械元件的影響。這種情況表現(xiàn)為：作用在物體表面的泵浦光的輻射壓力較弱，但他們用一個(gè)光學(xué)諧振腔來(lái)增強(qiáng)光束，從而增加光壓，另一方面，諧振腔一側(cè)的鏡子垂直懸掛，形成單擺狀態(tài)，可在低光輻射壓力作用下作受迫振動(dòng)[7]。腔光力系統(tǒng)是光場(chǎng)與機(jī)械場(chǎng)的耦合系統(tǒng)。以法布里－珀羅式（FabryPerot，F(xiàn)P）光學(xué)諧振腔[8]為例，一端固定，另一端為可自由移動(dòng)的機(jī)械振蕩器，當(dāng)泵浦光通過(guò)固定的腔鏡入射到腔體中驅(qū)動(dòng)腔場(chǎng)時(shí)，腔場(chǎng)被激發(fā)，結(jié)果，在光子離開(kāi)光腔之前，它會(huì)在腔內(nèi)來(lái)回移動(dòng)好幾次。當(dāng)它與動(dòng)鏡相撞時(shí)，產(chǎn)生的輻射壓力使動(dòng)鏡工作。另一方面，由于可動(dòng)腔鏡的地位發(fā)生變化，光腔的長(zhǎng)度也會(huì)發(fā)生變化。腔長(zhǎng)的變化會(huì)影響腔內(nèi)光場(chǎng)的分布，并繼續(xù)影響環(huán)形光場(chǎng)的變化。因此，圓形光強(qiáng)度將相應(yīng)地改變。腔場(chǎng)與可移動(dòng)腔鏡之間的耦合充分體現(xiàn)了光腔與機(jī)械諧振子之間的耦合效應(yīng)，構(gòu)成了一個(gè)典型的腔光力系統(tǒng)[9]。如圖2-1所示，在弱光輻射壓力作用下，典型的光腔系統(tǒng)通過(guò)左側(cè)的強(qiáng)泵浦光和弱探測(cè)光進(jìn)入和輸出，然后相互耦合形成機(jī)械場(chǎng)。2.2腔光力系統(tǒng)基本理論2.2.1腔光力系統(tǒng)經(jīng)典分析Fabry-PerotCavity內(nèi)部因輻射壓所產(chǎn)生的力F與腔內(nèi)光強(qiáng)I成正比，且它也是腔長(zhǎng)L和振子位移x的一個(gè)函數(shù)F(Fx)。它由兩個(gè)腔鏡組成，腔場(chǎng)的本征頻率為[11]圖2-1：光力系統(tǒng)示意圖[10]。Figure2-1:Schematicdiagramofatypicaloptomechanicalsystem[10]ωc如果振子在外輻射壓的驅(qū)動(dòng)下，還被受布朗噪聲所影響，微分方程就可表為:d2x振子的質(zhì)量是m，其頻率是m，衰減系數(shù)是m光腔漏損率k[12]κ=κ0字母κ0代表內(nèi)部漏損率；字母κ光腔的品質(zhì)因數(shù)定義如下：Qm=當(dāng)Qm?11時(shí)，修正頻率和衰減率可表示為[1ωeffγeff=自由力學(xué)振子的哈密頓量為：H^q^為振子的算符坐標(biāo)，p據(jù)量子力學(xué)知識(shí)：q^和p[q^動(dòng)量、坐標(biāo)與湮滅產(chǎn)生算符滿(mǎn)足下式：q^=p^=?im算符b、b^?b和b^[b^當(dāng)泵浦光射入F-P中，光場(chǎng)的哈密頓量可表示成[14]：H^cav產(chǎn)生、湮滅算符兩者的對(duì)易關(guān)系滿(mǎn)足：[a^典型的振子振動(dòng)方程可寫(xiě)成下式：mq^q^是振子的位移，f2.2.2腔場(chǎng)與諧振子耦合的量子化描述本節(jié)我們?cè)谛D(zhuǎn)波變換分析光腔和振子相互作用，這里只考慮單模和單振子模耦合，且ωm?c/2L，該系統(tǒng)的哈密頓量[15H&=?ωca和a?是腔場(chǎng)的產(chǎn)生湮滅算符，[a^,a^?]=1，|E|=2Pκ/?ωlg0=ωcωc=2πcλ=2πcnL，nN，L是腔長(zhǎng)。哈密頓量的首項(xiàng)表示腔場(chǎng)的能量，第二項(xiàng)是機(jī)械振子的能量，第三項(xiàng)是光腔與機(jī)械振子的線(xiàn)性耦合、相互作用，第四項(xiàng)表示泵浦激光與光學(xué)諧振腔的耦合。為了得到系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，我們將拉格朗日方程作用在系統(tǒng)的哈密頓量上，得到一系列隨時(shí)間變化的演化方程，其中動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的平均值變化緩慢。朗之萬(wàn)考慮到布朗噪聲，并相信粒子受一個(gè)系統(tǒng)力的驅(qū)使（一個(gè)粘滯力或一個(gè)漲落力）。一般情況下，一個(gè)作用在O上的方程可表為?x=ωPm=?a=?κ+im表示振子的衰減率，表示布朗噪聲，我們引入腔的失諧量Δ0=由于光場(chǎng)的作用，振子移動(dòng)到另一個(gè)平衡位置，設(shè)是腔場(chǎng)的失諧量，Δ=Δ若0，振子的運(yùn)動(dòng)將衰減，然而只要光噪聲比熱噪聲小，模式就會(huì)冷卻。振子的熱平均占有數(shù)用玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)[17]表示為n2.2.3量子腔光力系統(tǒng)在相互作用繪景中,通過(guò)旋轉(zhuǎn)波變換推導(dǎo)出該系統(tǒng)的哈密頓量，得到幺正變換公式[18]U(t)=expi?ddt|ψ?=U|ψ?H=UH?i?對(duì)于相互作用項(xiàng)Hrp，假設(shè)穩(wěn)態(tài)值aδ?1，這時(shí)，可進(jìn)行操作a→aδHrp繼續(xù)作一次旋波變換[19]，可得到線(xiàn)性化的哈密頓量，Hrp'方程式的第一項(xiàng)、第二項(xiàng)分別是雙模緊縮和相互作用項(xiàng)。若失諧量Δ=+ωm，相位會(huì)消逝，相互作用振蕩頻率為2ωm。用微擾展開(kāi)，我們可清楚地看到，這類(lèi)雙模緊縮主要由公式gωm的一階項(xiàng)貢獻(xiàn)。而分束器型主要由較小的g和在可解的邊帶條件下2.2.4腔光力系統(tǒng)的哈密頓量整個(gè)系統(tǒng)的哈密頓量為：H=HHm=Hc=?Hint=?GHdrive這里：εinHm是機(jī)械振子諧振腔的能量，Hc是光腔的能量，Hint是光腔與機(jī)械振子之間的驅(qū)動(dòng)，Hdrive表示光腔驅(qū)動(dòng)場(chǎng)：ppu和ppr代表泵浦光和探測(cè)光的功率。

第三章實(shí)驗(yàn)及研究進(jìn)展3.1實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)腔光力系統(tǒng)探索了電磁輻射與納米機(jī)械或微機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，由輻射壓力作用介導(dǎo)的它們相互的光機(jī)械相互作用，表現(xiàn)出這種相互作用的各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：懸掛鏡、光學(xué)微諧振器、波導(dǎo)和光子晶體腔、懸浮和懸浮的納米物體、微波諧振器、超冷原子等。3.1.1懸掛鏡實(shí)現(xiàn)在腔光機(jī)械相互作用時(shí)，顯而易見(jiàn)，暫停腔的一個(gè)'之鏡。機(jī)械運(yùn)動(dòng)直接改變型腔的長(zhǎng)度，從而改變這種“橡膠型腔”的頻率響應(yīng)?！边@種類(lèi)型的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是帶有運(yùn)動(dòng)鏡的法布里-Pe′rot腔，它們可以追溯到激光干涉儀檢測(cè)重力波的早期嘗試。懸吊宏觀(guān)腔鏡的目的是實(shí)現(xiàn)聲音隔離，但光機(jī)械效應(yīng)，尤其是量子機(jī)械輻射壓力波動(dòng)，最終對(duì)其干涉測(cè)量靈敏度構(gòu)成了根本性的限制同時(shí)，這種配置允許人們利用腔體光力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的宏觀(guān)測(cè)試質(zhì)量的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。迄今為止，這種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了光學(xué)雙穩(wěn)性，光學(xué)彈力效應(yīng)，和光學(xué)冷卻；圖3.1邊帶分辨率Ωm/κ圖3.2機(jī)械頻率Ω如圖3.1（在線(xiàn)彩色）。單光子封鎖參數(shù)D=g02/Ωmκvs邊帶分辨率Ωm/κ，對(duì)于出版實(shí)驗(yàn)（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)主要文本）。單光子誘導(dǎo)的腔頻移Δω如圖3.2（在線(xiàn)上顏色）。單光子協(xié)同C0=4g02/κΓm在LIGO設(shè)施中具有克級(jí)的懸浮鏡，甚至具有千克級(jí)的懸浮鏡的反饋冷卻功能。這些實(shí)驗(yàn)的一個(gè)實(shí)際的挑戰(zhàn)是在非常低的機(jī)械頻率Ωm另一種可能性是使用高反射率的微機(jī)械設(shè)備，例如Fabry-Pe′rot端鏡。這些系統(tǒng)包括帶涂層的懸臂梁和微柱，光束頂部的微米級(jí)鏡墊和懸臂或微機(jī)械懸掛式光學(xué)涂層和光子晶體平板。在這種配置中，有效的光機(jī)耦合要求機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸要比光的波長(zhǎng)大得多：典型的腔長(zhǎng)范圍為10?5至10?2米，光學(xué)精度最高為10可訪(fǎng)問(wèn)的質(zhì)量和頻率范圍，以及對(duì)腔體長(zhǎng)度的限制(L>λ)和可實(shí)現(xiàn)的腔體精細(xì)度，為這種幾何形狀設(shè)置了一些實(shí)際限制。特別是，邊帶分辨率（小κ）和大光機(jī)耦合g0（小L，導(dǎo)致大κ）會(huì)帶來(lái)沖突的條件，需要相互交易。另一方面，與宏觀(guān)微波換能器一起，這種實(shí)現(xiàn)方式提供了迄今為止最大質(zhì)量和頻率范圍的光機(jī)械控制。3.1.2光學(xué)微諧振器在光學(xué)微諧振器中會(huì)發(fā)生與Fabry-Pe′rot情況類(lèi)似的情況，其中光以回音壁模式沿著圓形諧振器的邊緣被引導(dǎo)。這些結(jié)構(gòu)有大量不同的機(jī)械正常振動(dòng)模式。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形直接改變了諧振器的光路長(zhǎng)度，改變了其諧振頻率，從而產(chǎn)生了光機(jī)耦合。微型諧振器尺寸小，可以實(shí)現(xiàn)大的耦合率g0，并訪(fǎng)問(wèn)幾兆赫茲至幾兆赫茲的機(jī)械頻率。從本質(zhì)上講，可以區(qū)分三種不同的體系結(jié)構(gòu)：（i）微型磁盤(pán)諧振器，它是平面光子電路中的標(biāo)準(zhǔn)諧振器結(jié)構(gòu)，可以高精度制造。最近的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了大型的光機(jī)械耦合速率高達(dá)g0≈2π×8×105這些幾何學(xué)的實(shí)際好處是與可用性大光學(xué)質(zhì)量結(jié)合解決側(cè)帶制度κ<Ω3.1.3波導(dǎo)和光子晶體腔片上波導(dǎo)和光子晶體腔提供了不同的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。光子晶體是通過(guò)對(duì)某種材料（通常是硅）的折射率進(jìn)行周期性調(diào)制而形成的，這導(dǎo)致形成光帶，類(lèi)似于在晶格中傳播的電子波的電子帶。光不能在帶隙中傳播。因此，當(dāng)將人工缺陷引入周期性模式時(shí)，局部電磁場(chǎng)模式）可以形成不衰減到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的連續(xù)體。這些結(jié)構(gòu)稱(chēng)為光子晶體腔。為了獲得光機(jī)械裝置，對(duì)平面內(nèi)光子晶體腔進(jìn)行欠蝕刻以形成納米機(jī)械束。機(jī)械運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致空腔邊界和材料中應(yīng)力的調(diào)制，這兩者都有助于空腔光子與結(jié)構(gòu)的機(jī)械模式之間的光機(jī)械耦合。Maldova和Thomas從理論上預(yù)測(cè)了光子晶體中同時(shí)存在局域光學(xué)和振動(dòng)缺陷模式。光子晶體中的光機(jī)耦合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證明兩種一維和二維光子晶體腔。較小的腔體尺寸以及較小的局部機(jī)械模式質(zhì)量導(dǎo)致光機(jī)耦合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)Fabry-Pe′rot方法，目前的實(shí)驗(yàn)達(dá)到g0/2π≈MHz?？捎玫臋C(jī)械頻率可以從幾十兆赫茲的范圍高達(dá)幾GHz，這顯著減少了對(duì)環(huán)境的熱占用nth當(dāng)前，由于可用耦合率g0/κ應(yīng)當(dāng)注意的是，即使在沒(méi)有腔的情況下，光波導(dǎo)機(jī)械力也會(huì)變強(qiáng)，該腔具有波導(dǎo)接近基板或彼此接近的結(jié)構(gòu)。這種方法（雖然有點(diǎn)超出本綜述所涵蓋概念的范圍），但對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)可能非常有用，因?yàn)樗饲凰a(chǎn)生的帶寬限制。在另一個(gè)同樣有希望的發(fā)展中，光子晶體光纖的千兆赫茲振動(dòng)通過(guò)光機(jī)械相互作用被激發(fā)和控制。3.1.4懸浮和懸浮的納米物體此類(lèi)腔光學(xué)機(jī)械實(shí)現(xiàn)使用剛性的光學(xué)腔，該腔在腔內(nèi)部或腔的近場(chǎng)中包含機(jī)械元素。特別是，它允許與亞波長(zhǎng)大小的機(jī)械對(duì)象進(jìn)行有效的光機(jī)械耦合，這已在諸如由高應(yīng)力SiN制成的高質(zhì)量機(jī)械膜等系統(tǒng)中得到了證明，化學(xué)計(jì)量比的SiN或AlGaAs，以及碳納米線(xiàn)，這些碳納米線(xiàn)已經(jīng)懸掛在最先進(jìn)的Fabry-Pe內(nèi)部。Fabry-Pe′rot諧振器的另一種方法是利用接近光學(xué)微諧振器表面的近場(chǎng)效應(yīng)，其中e逝光場(chǎng)允許色散耦合至其他結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，機(jī)械運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)界面之間的距離d。由于近場(chǎng)特性，光機(jī)耦合強(qiáng)度與d呈指數(shù)關(guān)系，因此允許人們?yōu)間0為了進(jìn)一步抑制機(jī)械鉗位損失，建議將機(jī)械物體懸浮在一個(gè)額外的光學(xué)偶極子阱或由腔場(chǎng)形成的駐波阱中。這種實(shí)現(xiàn)方式可以直接擴(kuò)展到物質(zhì)波干涉測(cè)量中，并且可以在新的宏觀(guān)參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行量子理論的基礎(chǔ)測(cè)試。此類(lèi)測(cè)試的必要參數(shù)制度在實(shí)驗(yàn)上具有挑戰(zhàn)性，甚至可能需要太空環(huán)境。二氧化硅球體的懸浮懸浮在高真空下的光學(xué)偶極阱中已經(jīng)得到證實(shí)和亞微米尺寸。一種替代方法是將光陷波與低頻機(jī)械懸掛相結(jié)合，這可能會(huì)導(dǎo)致與純光陷波質(zhì)量相似的熱解耦。Qf≈103.1.5微波諧振器類(lèi)似于光腔，LC電路形成用于微波領(lǐng)域的電磁輻射，即，諧振器i.e.,ωc/2π～千兆赫，或甚至用于無(wú)線(xiàn)電頻率。一個(gè)機(jī)械元件的運(yùn)動(dòng)電容耦合至該微波諧振腔導(dǎo)致電容的變化，并且由此所述的LC諧振頻率因此，獲得了標(biāo)準(zhǔn)的腔-光機(jī)械輻射-壓力相互作用。沿著這條線(xiàn)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)進(jìn)行布拉金斯基和Manukin（1967，1977）與布拉金斯基，Manukin，和Tikhonov（1970）正則化，后來(lái)在諧振酒吧引力波檢測(cè)。早在那時(shí)，這些作品就展示了冷阻尼和光機(jī)械反向作用，例如冷卻和參數(shù)放大。后來(lái)，在離子阱物理學(xué)的背景下，展示了通過(guò)LC電路冷卻微機(jī)械諧振器的方法。隨著超導(dǎo)微型電路的出現(xiàn)，有可能進(jìn)入與微波腔耦合的納米機(jī)械裝置的尺寸和頻率范圍。典型的可用機(jī)械頻率范圍從幾兆赫到幾十兆赫。為了類(lèi)似于輻射場(chǎng)的低熵儲(chǔ)層，這對(duì)于量子光力學(xué)特別重要，則需要將微波光子保持在低溫下。對(duì)于GHz光子，mK范圍內(nèi)的環(huán)境溫度已足夠，這需要在稀釋冰箱內(nèi)運(yùn)行。盡管微波光子的動(dòng)量傳遞比光頻率下的光子要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但裸光機(jī)耦合速率g0微波方案當(dāng)前的實(shí)際挑戰(zhàn)是量子光學(xué)技術(shù)的稀疏可用性，例如準(zhǔn)備和檢測(cè)?？藸顟B(tài)或輻射場(chǎng)的壓縮狀態(tài)。但是，最近的一些概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)已從原理上證明了其可用性。作為邊注，電容性耦合也被用于耦合納米機(jī)械對(duì)象直接到兩電平的量子系統(tǒng)，例如，涉及一種超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)箱，或一個(gè)超導(dǎo)相量子位。最后請(qǐng)注意，耦合不必是電容性的。最近，研究表明，微波諧振器也可以通過(guò)介電梯度力耦合到納米束的振動(dòng)上。這提供了更大范圍的材料，這可能對(duì)應(yīng)用有利。3.1.6超冷原子腔光力學(xué)的思想也已經(jīng)通過(guò)使用最多106個(gè)原子的云來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們的集體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)可以類(lèi)似于單一機(jī)械模式，對(duì)于超冷原子而言，已經(jīng)被預(yù)冷至其運(yùn)動(dòng)的量子基態(tài)。在一種情況下，法布里-珀羅特腔內(nèi)的超冷Rb原子云的集體運(yùn)動(dòng)用于觀(guān)察散粒噪聲輻射壓力波動(dòng)的特征。云的集體運(yùn)動(dòng)到光腔場(chǎng)的色散耦合導(dǎo)致位置相關(guān)的頻移，從而導(dǎo)致量子光機(jī)械相互作用。假設(shè)一個(gè)單一原子坐在直立光波圖案的波腹的單光子色散能量偏移δE=??g0at2/Δat，與g0at原子腔真空拉比頻率，和Δat原子和腔共振之間失諧。然后，腔模和的原子云之間的耦合哈密頓g其中xZPFatom=?/2matomΩm表示在捕集勢(shì)的單個(gè)原子的零點(diǎn)的波動(dòng)。我們假定xZPFatom在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，腔光學(xué)機(jī)械用于冷卻捕獲在光學(xué)腔內(nèi)部的Cs原子的熱云的運(yùn)動(dòng)。最后，在106個(gè)原子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚物中的密度波動(dòng)已用作Fabry-Pe′rot腔內(nèi)的機(jī)械模式。在這兩種超冷情況下，由于強(qiáng)分散原子耦合和較小的質(zhì)量（導(dǎo)致較大的零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度），操作接近單光子強(qiáng)耦合方案g之前，有人展示了一種將振動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)與從該鏡反射的駐光波中捕獲的原子的運(yùn)動(dòng)耦合的方法，而沒(méi)有光學(xué)腔。3.2研究進(jìn)展腔光力系統(tǒng)還有其他的研究方向，例如：機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光學(xué)測(cè)量，動(dòng)態(tài)反向作用放大和冷卻，非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)，多模光力學(xué)等。量子光力學(xué)為未來(lái)實(shí)驗(yàn)提供新方向的一個(gè)具體例子是量子測(cè)量問(wèn)題，它解決了為什么在宏觀(guān)物體的層面上似乎不出現(xiàn)量子疊加的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)疊加態(tài)的不可逆衰變，即去相干，發(fā)展成定義明確的經(jīng)典態(tài)，人們提出了超越量子理論的各種新理論和現(xiàn)象。這些方法中的每一種都預(yù)測(cè)退相干率隨粒子數(shù)量或質(zhì)量以及疊加中所涉及的狀態(tài)的實(shí)際不同而發(fā)生的特定縮放。。當(dāng)前用分子進(jìn)行的物質(zhì)波實(shí)驗(yàn)可能很快就會(huì)進(jìn)入這種機(jī)制。量子理論有效性的系統(tǒng)測(cè)試也必然涉及對(duì)這樣的定標(biāo)定律的測(cè)試，量子光機(jī)械系統(tǒng)提供的大質(zhì)量范圍提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。產(chǎn)生涉及機(jī)械態(tài)疊加的量子態(tài)的一種方法是通過(guò)光機(jī)械糾纏例如，通過(guò)在單光子干涉儀中的干涉可見(jiàn)性來(lái)探測(cè)這種光機(jī)械疊加態(tài)的退相干性，可以對(duì)特定的“崩潰”模式。近兩年來(lái)的實(shí)驗(yàn)也圍繞著這幾個(gè)已經(jīng)列出的方向拓展開(kāi)來(lái)，隨著不斷研究，人們將能夠充分利用微機(jī)械和納米機(jī)械設(shè)備的全部功能。盡管腔光機(jī)技術(shù)領(lǐng)域還處于起步階段，但它的幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)變得顯而易見(jiàn)。在激光科學(xué)中，這些包括可調(diào)諧濾光片，其基于以下事實(shí)：光機(jī)械耦合可以導(dǎo)致高達(dá)數(shù)個(gè)八度的機(jī)械頻率極端調(diào)諧，以及激光穩(wěn)定化的光機(jī)械實(shí)現(xiàn)方式。此外，某些光機(jī)械設(shè)備與硅光子學(xué)的兼容性使片上光學(xué)架構(gòu)具有更多的通用性。例如，利用光機(jī)械腔提供的強(qiáng)光學(xué)非線(xiàn)性為光學(xué)信息處理增加了重要且長(zhǎng)期以來(lái)的功能。同樣，嵌入式光機(jī)腔已被證明可以用作全光存儲(chǔ)元件，或者已被提議作為單光子檢測(cè)的新技術(shù)。在第一種情況下，雙穩(wěn)態(tài)納米機(jī)械諧振器的二進(jìn)制狀態(tài)由光機(jī)械腔控制和監(jiān)視。在后一種情況下，單個(gè)光子會(huì)向光機(jī)械腔引入可測(cè)量的頻移，從而實(shí)現(xiàn)原則上無(wú)破壞且光子數(shù)解析的檢測(cè)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些功能可能會(huì)為全光信息處理提供新的動(dòng)力。對(duì)于傳感應(yīng)用，腔體光機(jī)械學(xué)提供了幾個(gè)新的方面：例如，數(shù)十年來(lái)一直使用機(jī)械運(yùn)動(dòng)的阻尼來(lái)增加掃描顯微鏡的帶寬，腔體光機(jī)械器件允許更高機(jī)械頻率的讀出和衰減，因此提供了更快的采樣和掃描速率。同時(shí)，光學(xué)讀數(shù)的高靈敏度允許用于加速度傳感的新型集成光機(jī)械平臺(tái)。最近還建議采用片上機(jī)械傳感器來(lái)減少光學(xué)讀數(shù)的熱噪聲。反過(guò)來(lái)，相干放大機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能力提供了一種通往輻射壓力驅(qū)動(dòng)相干振蕩器的途徑，它具有緊湊的外形尺寸和低功耗。最后，與壓縮機(jī)械狀態(tài)的光機(jī)械準(zhǔn)備相結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致一種新的機(jī)械感測(cè)技術(shù)，該技術(shù)具有前所未有的靈敏度水平，這是因?yàn)樽x取設(shè)備的位置偏差減小了。合適的光機(jī)械設(shè)置也可能導(dǎo)致對(duì)LC電路中的小射頻信號(hào)進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。該方案是最近通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的，使用的是高質(zhì)量的室溫納米膜。從量子信息處理的角度來(lái)看，腔體光力學(xué)為固態(tài)實(shí)現(xiàn)中的相干光物質(zhì)界面提供了一種新的體系結(jié)構(gòu)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以充當(dāng)通用的換能器，以介導(dǎo)固定量子系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程相互作用。光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)的特定特征是固定量子位和飛行量子位之間的相互轉(zhuǎn)換，這構(gòu)成了長(zhǎng)距離量子通信和未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的主要元素之一。同時(shí)，在單光子狀態(tài)下的強(qiáng)光機(jī)耦合將打開(kāi)具有大量量子操作和協(xié)議的非高斯量子光機(jī)領(lǐng)域。光機(jī)械誘導(dǎo)的透明現(xiàn)象使光脈沖的減慢，甚至使光脈沖的存儲(chǔ)減慢，從而提供了一種有趣的固態(tài)實(shí)現(xiàn)的量子存儲(chǔ)器。第四章總結(jié)與展望本文主要討論了光學(xué)力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和研究進(jìn)展。前兩章介紹的都是理論基礎(chǔ)與模型，第三章介紹了一些已經(jīng)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)和理論發(fā)展。近年來(lái)，腔光學(xué)力學(xué)的快速實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)展不斷為在物理基礎(chǔ)上的應(yīng)用和測(cè)試開(kāi)辟新的途徑。對(duì)大型機(jī)械物體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連貫的量子控制的能力為迄今尚未實(shí)現(xiàn)的參數(shù)體系中的量子理論基礎(chǔ)測(cè)試提供了一種新方法。量子光力學(xué)為實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)新的方向，舉一個(gè)具體的例子就是量子測(cè)量問(wèn)題。參考文獻(xiàn)李勇（編譯）.量子光力學(xué)[J].物理,2012,41(7):474-475.李芳昱,張顯洪.引力波與引力波探測(cè)[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2005,4:3-6.JiangC,LiuH,CuiY,etal.Controllableopticalbistabilitybasedonphotonsandphononsinatwo-modeoptomechanicalsystem[J].PhysicalReviewA,2013,88(5):11592-11604.JiangC,ChenB,ZhuKD.Controllablenonlinearresponsesinacavityelectromechanicalsystem[J].JournaloftheOpticalSocietyofAmericaB,2012,29(2):220-225.鐘山,鄧子昂,等.基于交叉克爾非線(xiàn)性的超糾纏純化[J].光學(xué)與光電技術(shù),2016(4):78-83.張旭,張林.耦合腔光力學(xué)系統(tǒng)的絕熱理論及其計(jì)算方法[J].中國(guó)科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2015(4):44201-044201.檀慧明.級(jí)聯(lián)二階非線(xiàn)性法布里-珀羅諧振腔特性分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(10):1354-1360.肖佳,徐大海,伊珍,等.三機(jī)械薄膜腔