光力学中混沌及透明相关效应的研究
众所周知，光携带着动量，并能够对物体产生辐射压力。于是，人们由此衍生出一门新兴学科，即“光力学”。光力学的研究对象是光学腔与机械振子通过光的辐射压力相耦合的系统。光力系统的研究在最近几年取得巨大进展，孕育出了非常丰富的应用和有意义的效应。在众多相关研究中，边带冷却效应有希望被用于探索量子与经典的边界，以及基本量子特性等重大基本物理问题。光力学中的另外一个重要话题是光力诱导透明（Optomechanically Induce Transparency），即探测激光的透射率在控制激光的调控下出现了一个尖锐的透明窗口。该效应催生出诸多重要应用，例如慢光、精密测量、单光子路由器等。目前，对光力系统的讨论已逐步从对线性相互作用的研究跨越到对非线性效应的探索，并从微扰区域开始延生至非微扰区域，比如高阶边带的产生和光场的混沌振荡等。 本论文研究了光力系统中与诱导透明相关的效应以及非微扰区域的混沌效应，主要工作包括以下几个方面： 1.我们提出一种可以测量外部简谐力（external time-harmonic-driving force）性质并具有潜在应用价值的方案。该方案中，我们在光力系统中探索了外力、控制场与探测场的相互作用。我们发现在光力诱导透明配置下，腔场和输出场光谱在外力的驱动下出现很大修正，这诱导出了很多有意思的线性和非线性效应，诸如吸收光谱频域的非对称结构（asymmetric structure）和色散光谱在ω=ωm附近时的反对称破缺（antisymmetry breaking）。此外，我们发现该方案可以被用于测量外力的初始相位。更为重要的是，通过利用外力和探测场的干涉过程，该方案有可能擦除热噪声对外部弱力测量产生的负面影响。最后，我们证明该配置可以被用于改善由弱超声波（ultrasonic wave）引起的辐射压力的测量精度（measurement resolution）。 2.在传统的光力系统中，我们运用退耦合的海森堡–郎之万方程（Heisenberg-Langevin equation）对可移动镜子的力学模式劈裂（mechanical-mode splitting）进行研究并给出相应的物理解释。然后，我们鉴别了双模腔中力学模式劈裂诱导产生的一些重要的可观测效应，即，耦合到另外一个腔模输入到系统中的第二束控制场可以修饰力学模式，这导致了探测场透率射的抑制，反斯托克斯场（anti-Stokes field）光谱中双峰结构的出现和相应新力学模式下光力诱导透明（optomechanically induced transparency）的发生。进一步，我们利用力学模式劈裂（mechanical-mode splitting）效应开启了两个透明窗口，并发现了该双模光力系统中力学模式的二次劈裂。 3.我们提出了一个可有效控制光力系统进出混沌区域的方案。光学系统被由一个控制场和一个探测场组成的连续双色激光场相干地驱动。其中，双色激光的拍频在控制混沌运动的出现和相应的混沌动力学中承担着重要角色。运用前沿实验的相关参数，我们发现通过适当调节双色输入场的功率，探测场频率与李雅普诺夫指数（Lyapunov exponent）的关系谱线中出现了具有尖锐边沿的宽的混沌缺席窗口（Chaos-absent window）。而且，暂态混沌的寿命和光力系统的混乱度可以简单地通过改变双色驱动的初始相位进行有效地调节。该研究利用光力系统的非线性有可能实现复杂混沌的操控。 综上所述，本论文系统地研究了外力驱动下和力学模式劈裂区域的光力诱导透明，并在非微扰区域发现了混沌缺席的窗口和相位依赖的混沌。这些有趣而新颖的效应将有可能在光操控领域有着重要的潜在应用。此外，力学模式劈裂的相关效应将有可能有助于机械振子的进一步冷却，而混沌效应的研究也有可能在基于混沌的传输（chaos-based communication）中发挥重要作用。
光力系统;非微扰区域;混沌效应;非线性效应;透明效应
华中科技大学
硕士
光学
吕新友
2015
中文
O431.2
74
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）