基于PT对称光力系统的非互易透射和非对称快慢光效应

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腔光力学是研究光腔和机械振子之间相互作用的领域,近几十年来,在探索宏观量子效应和研究电磁辐射与微观力学运动的相互作用方面,腔光力学取得了巨大的成功。作为观察宏观量子现象和验证量子力学基本规律的重要平台,腔光力学系统能够产生很多有趣的量子效应,例如光力诱导透明(OMIT)、光学非互易、量子纠缠、光子阻塞、机械振子的基态冷却等。其中,OMIT现象类似于电磁诱导透明,它是由光模和机械模的辐射压力耦合而引起的一种诱导透明。由于反斯托克斯边带会与频率相同的光子跃迁路径发生量子干涉,故系统会减弱对弱探测场的吸收,从而导致OMIT。此外,由于光力相互作用属于一种非线性耦合,因此光力学系统不仅可以产生强烈的非线性效应,同时也可以产生大量新奇丰富的物理现象。对于这些现象的研究可以应用于许多领域,例如光信息的存储、快光和慢光效应以及实现各种光开关等。随着纳米加工等制造技术的不断发展,光力学系统中机械振子的质量也逐渐减小,以至于光力学系统的空间尺度也在不断降低,逐渐出现了各种高精细度的光学微腔,故光力学系统也可以实现对于弱力、弱位移等一些微弱信号的精密测量。本文对传统的光力学系统作进一步改进,引入了一个宇称-时间(PT)对称的机械结构,主要研究该系统中弱探测场的光学响应以及相关的动态调控。在这个光力学系统中,两个相互耦合的耗散腔模与一对PT对称的增益-耗散的机械模相耦合,并研究这个系统中的非互易光学行为。两个腔模分别由两个强控制场驱动,其中一个腔模被弱场探测。利用这种增益-耗散机械振子的PT对称方案,基于OMIT,该闭环的四模光力学系统可以显示出具有三个透射窗口的探测场光放大行为。由于引入的两个控制场之间的相对相位打破了系统的时间反演对称性,因此中间的OMIT透射窗口可以实现伴随增益的非互易光传输行为,并且可以通过相位调制来控制非互易传输的方向。此外,系统还可以呈现非对称的光传播群速度,即可调谐的非对称的快、慢光效应(沿着一个方向为慢光,而沿着另一个方向为快光)。有趣的是,通过相位调制可以实现动态的非对称快、慢光的周期性转换。该具有三个OMIT透射窗口的光力学系统结构及其具有的光学特性,可用于实现单向光放大器以及光传播方向和速度全光切换的新型有效方案,并有望应用在光子网络、多信号传输的量子通信等领域。
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