微腔光子-声子/磁振子耦合系统中的光传输效应研究及其应用

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结合机械谐振子或磁振子自由度的光腔为实现光力/磁学效应的信息传输和处理提供了一个独特的平台,并在纳米光子学和纳米力学或磁子学之间建立了紧密的联系。近年来,腔光力系统和腔磁系统是大家研究的热门课题。基于腔光力系统和腔磁系统中的非线性相互作用力的研究,其中包括光力相互作用、磁致伸缩效应、磁克尔效应等导致了很多有趣的现象,如光力诱导透明、光子阻塞、量子纠缠、声子激光、双稳态等。在本文中,我们主要基于腔光力系统和腔磁系统中的非线性相互作用力研究光传输的效应,包括腔光力系统中的高阶边带的产生,以及腔磁系统中的慢光和非互易性。主要内容具体可以分为三个部分:一、我们分别在不同的光力系统中研究了高阶边带的产生。首先,我们研究的是在与带电物体相耦合的光力系统中高阶边带的产生,结果表明在弱的和强的控制场的条件下,库仑相互作用依赖效应的高阶边带的产生有着本质的区别。发现只有在强的控制场的条件下,才会有敏感的库仑相互作用依赖效应的高阶边带的产生并实现对电荷数的精密测量。其次,在周期性调制光子跳跃的双腔光力系统中,我们发现高阶边带的产生是来源于参数频率转换的过程和光力相互作用的过程。在低的泵浦功率的水平下,两腔间光子跳跃的调制幅值和调制频率对高阶边带的产生都有灵活的控制性。当参数频率转换的过程是占主导地位时,实现了特定高阶边带谱的选择性产生。最后,这些结果可能为理解高阶边带的产生提供进一步的见解,并在光学频率转换器和光学频率梳中找到应用。二、我们在由光子、磁振子和声子组成的腔磁力系统中研究可调的慢光,其中非线性的声子和磁振子的相互作用来源于磁致伸缩力。对于一个强的光子-磁振子的耦合强度,可以通过一个强的控制场驱动混合模式的红(蓝)失谐边带来观察探测场的透明(吸收)窗口。在这项工作中,我们主要展示了在透明窗口范围内色散的特征变化。群延迟的值可以通过使用不同频率的磁振子来连续地调节,磁振子的频率是由外部偏置磁场决定的,因此可以方便地在大范围内调节。控制场的强度和频率也会对慢光效应产生影响,且可以通过增大控制场功率来实现长时间的慢光(毫秒级的群延迟)。这些结果可能在基于光子、声子和磁振子之间的相干耦合的信息交换中得到应用。三、我们在一个包含两个微波腔和一个钇铁石榴石(YIG)球的双腔磁系统中研究微波场的非互易性传输。发现在微波场的正向和反向传播的过程中,磁克尔非线性效应会导致磁振子双稳性的出现和不同的磁子响应。不同的磁子响应在微波场的非互易性传输中起着至关重要的作用,这从本质上打破了微波场传输的空间反演对称性。更重要的是,通过调节决定磁振子频率的外加偏置磁场,我们可以获得微波场的可变隔离率,甚至是微波场在单方向上的传输,这可以用来实现光子二极管。此外,通过增加应用于驱动磁振子模的微波源强度,可以观察到更强的非互易性传输。这些结果为开发腔磁系统中的各种不同的非互易性效应提供了一条途径。
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