过去几十年,基于量子物理的量子技术取得了巨大的进展,包括量子计算,量子模拟,量子通讯,量子传感等。特别的,将不同的物理体系结合起来,希望得到比单一物理体系更优性能的混合量子系统,引起了极大的兴趣。其中基于铁磁材料中的自旋波来研究混合量子系统受到了广泛的关注。自旋波(spin wave)是磁矩有序材料中磁化的集体激励,它的量子化称为磁子,可以与微波光子、光学光子、机械声子、甚至超导量子比特相互作用,从而形成新的研究领域,分别为在基于磁光效应的腔光磁体系、基于磁致伸缩效应腔磁机械体系、以及基于磁偶极子相互作用的量子磁振子体系中得到广泛的研究,实现了包括微波到光波的频率转换,单个磁振子的测量,声子与磁振子的转换等,突显了很好的应用前景。目前,基于固态量子比特的量子信息技术大多都受到低温以及微波光子的局限,不能实现长距离的量子比特之间的通讯,因此将量子态从微波转换到光学领域引起了广泛的兴趣,与微波光子不同,光学光子可以通过低损耗的光纤传输,这使得它们适合长距离的通信,而且光学领域还提供了大量开发良好的量子光学工具,如高效的单光子探测器和长寿命量子存储器等,因此通过微波光子到光波光子的相互转换能够实现多个量子比特间的长距离量子通讯,组建混合量子网络。目前,已经在许多体系中实现了频率转化,如腔光力体系,电光相互作用,原子体系,腔光磁体系等等。上述方案中腔光磁体系由于磁振子频率可调谐范围大,长寿命等独特的优点引起了大家的关注。尽管目前在腔光磁体系中实现了微波到光波的频率转化,但是现有的转化效率较低,需要对系统进一步的研究,进而提高转换效率。本文主要围绕铁磁微球腔内光磁相互作用,研究了基于光自旋轨道耦合的非互易传输,以及在腔内光磁相互作用下的频率转化。论文的主要工作包括:(1)理论分析了回音壁模式微腔中的光磁相互作用,通过施加不同方向的静磁场将光磁作用分为简并的三波混频和非简并的三波混频,总结了上述过程的选择定则。此外理论分析了两种情况下微波到光波频率转化的效率,发现两种情形各有优点。对于平行于光路的磁场,简并的三波混合的条件很容易满足:不需要找到频率差为磁振子的两种光学模式。对于垂直于光路的磁场,非简并的三波混频具有较大的耦合强度,从而具有较大的转换效率。(2)研究了磁振子在回音壁模式微腔中的热双稳态现象。随着微波泵浦的频率扫过磁振子频率时(逐渐增大或减少),微腔中的光学模式的共振波长位移呈现出不一致的动态变化,类似于高品质因子微腔中的热双稳态。由于光学模式的品质因子很高,能够提高测量灵敏度,我们进一步研究了不同YIG微球晶轴对YIG微球磁振子热双稳态的依赖关系。结果表明,在特定的旋转角度条件下,可以消除微波驱动引起的热双稳态,这对今后的磁振子传感器实验有一定的指导意义。(3)基于光的自旋轨道耦合,在微腔中实现光的非互易传输。在实验上实现了均匀YIG微球中基于光自旋轨道耦合的法拉第效应。通过施加一个垂直于光学赤道面的偏置静磁场,简并的顺时针和逆时针回音壁光学模式将在YIG微球中解简并,这说明了法拉第效应引起的回音壁模式的非互易频移。实验结果表明,在高阶方位角模式和较大的微球尺寸下,顺时针和逆时针回音壁模式的频率分离较大。我们在YIG微球中观察到高达0.69GHz的频率分离,与光学线宽接近,因此有望实现宽带非互易光子器件。(4)在YIG球中实现了微波到光波的频率转化。在平行于回音壁模式微腔赤道面的静磁场作用下,通过外加微波驱动磁振子模式使得YIG微球中的光发生斯托克斯和反斯托克斯散射,产生边带信号。我们的实验得到的功率转换效率约为3.62×10-6。另外由于磁振子可调谐的优点,我们在实验中实现了 3.5GHz-6GHz的磁振子频率下的频率转化效果。我们的结果提供了一种在宽带宽下运行的微波到光子的转化器,揭示了在混合量子系统中的潜在应用。