从还原论的角度,实现单个物质粒子与单个光量子之间的确定性强耦合相互作用是探索光与物质相互作用的理想目标,即单光子发射器与单光子之间的确定性强耦合相互作用,这也是腔量子电动力学的重要研究内容。近年来,鉴于光子学器件在操控光场和物质的优势,研究人员将光子学器件作为基本载体开展光与物质相互作用的研究,逐步开启了量子光子学的新纪元。量子光子学领域的重要研究内容涉及量子资源的产生,例如量子态的产生、检测和相干操控等。其中,实现单个光子发射器和光子量子比特之间量子态的相干转移的有效接口是关键挑战。单光子发射器作为一种产生单光子的量子资源,其在量子计算、量子信息、量子存储和基于光量子态的量子计量中发挥着重要作用。至今为止,基于原子、离子、分子、色心、自组装量子点等的量子体系中均已实现了单光子源的产生。光子学器件与各类量子发光体系的耦合系统也随之蓬勃发展起来。在量子信息领域,光子作为飞行比特在量子信息传输过程起到至关重要的作用,因此将发光粒子荧光高效耦合进入探测系统是非常关键的一步,这意味着高效率探测和收集单粒子的荧光尤为重要。纳米光纤普通光纤制作而成,作为一种结构简单的微纳光子学器件被广泛应用,纳米光纤对其表面的倏势场具有较强的束缚,在实现对其表面光子高效收集的同时,也为其与周围介质相互作用提供了一个高效的接口。借助于纳米光纤的倏势场,可以实现纳米光纤与其表面原子、固态粒子、微结构和周围介质的耦合,其中,纳米光纤与固态粒子的高效耦合也为具有集成性和扩展性的复合系统的应用提供了新的实现路径,并引起人们广泛的关注。即使在室温下,金刚石中NV色心等各类固态量子发射器也可作为稳定且明亮的单光子发射体,同时,其自旋可以被精确控制的特性也具有重要的应用前景,相比于原子、离子等气态物质,固态量子发射器无需复杂的激光冷却和捕获技术,更易于实现粒子位置的稳定控制。纳米光纤与NV色心等固态粒子、基片上缺陷和微纳结构耦合以及利用其表面双色偶极阱俘获原子的实验中,纳米光纤的直径及其表面的倏势场强度分布尤为重要,这直接决定纳米光纤对其附近发射器发射光子的耦合效率。纳米光纤本征机械振动模式也对其耦合强度的稳定性和原子俘获寿命具有不可忽视的影响。因此,对纳米光纤表面倏势场分布和机械振动频率的性质研究是基于纳米光纤的光子学器件在应用过程中尤其值得关注和亟需解决的问题。为了提高光与物质的相互作用强度,基于纳米光纤的光子学器件被相继提出。基于纳米光纤的光学回音壁（whispering-gallery-mode,WGM）谐振腔可以实现在纳米光纤对其表面倏势场的横向束缚和腔轴方向的光场束缚,进提高光与物质相互作用的强度及其对荧光的高效收集。回音壁谐振腔的Q值、模式体积谐振频率和球形度等性质对其与发射器的耦合等应用具有非常关键的作用,为了提高其实用性,必须选择合适的测量和表征手段。利用二氧化碳激光加工工艺制备的光纤凹槽法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）腔并用于腔量子电动力学研究,这成为传统F-P腔与光纤波导结合的成功范例。光纤FP腔也被广泛应用于与量子点、色心、离子、碳纳米管、机械振子和液氦超流等体系的耦合,并且实现了原子纠缠态、单光子源、量子态转换、量子中继和量子网络等量子技术。本文主要介绍我们实验室在基于纳米光纤的光子学器件方面的实验研究进展。包括对纳米光纤及其倏势场的性质研究和纳米光纤本征机械振动模式的超灵敏测量、为实现纳米光纤与发光粒子耦合增强的回音壁谐振腔的实验研究及其球形度测量和光纤F-P腔与原子耦合系统的实验进展。具体研究工作如下:1)建立了一种‘纳米光纤-微光纤探针’系统并利用此系统对纳米光纤的基本性质进行的深入和系统的实验研究,为纳米光纤与原子、NV色心等发射器耦合以及腔光力的实验研究及其应用奠定重要的实验基础。首先,我们用三维有限时域差分法数值模拟了微光纤探针引起纳米光纤表面倏势场的散射损耗;其次,在实验上我们对纳米光纤表面倏势场的分布和纳米光纤直径进行了非破坏性测量;再次,在此基础上实现了基于纳米光纤-微光纤探针的带宽可调的光滤波器,为纳米光纤在光学集成方面的器件进行了探究;最后,我们测量了纳米光纤的机械振动模式。这一方法为其在光力耦合、机械模式的测量及其冷却提供新的手段。2)实验上搭建了三种基于纳米光纤的回音壁谐振腔,包括:（1）利用可调分束比的光纤分束器构建了光纤环形谐振腔。该光纤环形谐振腔为其与原子、金刚石色心等发光粒子相互作用的实验研究奠定了坚实的实验基础,并且有望应用于光纤传感、精密测量等研究领域。（2）基于纳米光纤的微环型腔,该微环谐振腔在小型化、标准型、便利化等具有众多的优势。微环型腔为以后的微环谐振腔耦合单个NV色心和原子等单量子发射器,实现荧光的高效收集和光与物质相互作用的增强,进行单光子源方面的实验研究工作提供了一种重要工具。（3）基于纳米光纤倏势场耦合的化学合成的微球谐振腔。微球谐振腔的光谱测量技术为NV色心耦合的二氧化硅微球谐振腔的球形度表征提供了一种简单的测量技术和理论支持。3)在实验上对纳米光纤与NV色心的耦合进行了探究。首先,我们搭建了纳米光纤与金刚石粒子中NV色心的耦合系统,验证了系统的可行性。其次,我们对微球谐振腔和NV色心的耦合进行了实验探究。本实验为此后基于微环谐振腔与固态发射器的小型化、实用化和集成化方面奠定了重要的实验基础。4)设计和搭建了光纤F-P腔的一体结构,搭建了用于原子捕获的真空系统和原子捕获的磁光阱光路。光纤F-P腔具有的可调谐性和高精细度等优势以及其腔镜与单模光纤的一体结构且无需模式匹配的特点也更具实用价值。这部分工作为光学腔、纳米光纤和冷原子耦合奠定了重要的实验基础。