基于腔光机械耦合系统量子冷却的优化研究
发布时间：2022-01-14 11:09
腔光机械耦合系统可以用来实现谐振腔与机械振子之间的相互作用,对量子理论以及其应用技术的研究都具有极高的价值。由于机械振子本身频率较低很容易受到外界热环境的激发产生热噪声,阻碍后续对量子现象的研究,所以对机械振子进行冷却以及优化具有十分重要的意义。本文研究主要包括两个部分,分别利用两种不同的腔光机械耦合系统对在可分辨边带弱耦合条件下的机械振子进行冷却,探究在什么系统参数条件下机械振子的冷却达到最小值。在第一部分中,利用F-P腔光机耦合系统对机械振子冷却以及优化进行研究。首先,由系统总哈密顿量推导出描述系统动力学演化的量子郎之万方程以及输入噪声关系式,利用平均涨落理论对其进行线性化处理,并将其变换到频域上。然后,利用线性化的哈密顿量推导出机械振子的辐射压力噪声谱密度,由此推导机械振子的净冷却率与稳态声子数。最后,分析系统各个参量对净冷却率以及稳态声子数的影响,并研究分析机械振子冷却的优化参数条件。在第二部分中,利用膜腔光机耦合系统对机械振子冷却以及优化进行研究。首先,由传输矩阵理论计算出腔模系统中光腔的透射率,并利用傅里叶逼近计算出光腔的共振频率。然后,再利用量子郎之万方程描述机械振子的动...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
辐射压力原理示意图
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-2-2(a)。一般太阳光的辐射压力非常小，只有彗星运行至太阳系与太阳距离足够近时，彗星表面颗粒所受到的辐射压力才大于彗星引力形成彗尾。其实，光的辐射压力现象的还有很多，其中最具代表性的就是利用太阳辐射压力为动力的太阳帆，如图1-2(b)。只要存在太阳辐射，光压会推动其向远离太阳方向运动。若将帆板的面积做的足够大，那太阳帆所受到的推力是相当可观的。图1-2(a)彗星(b)太阳帆，图片来源www.baidu.com直到1901年，Nichols和Hull[6]的实验才首次证明了Maxwell对辐射压力强度的预测[7]。20世纪70年代，Braginsky利用对振荡器加速度的测定分析出量子性质对其灵敏度的影响[8]，并讨论了对振荡器量子态非破坏性测量的可能性。1975年，Hnsch和Schawlow[9]以及Dehmelt和Wineland[10]两个研究小组同时提出利用辐射压力的非保守性质可将运动的原子冷却。随后1983年，Dorsel,Mccullen,和Meystre等人首次利用宏观机械振子对腔体中的辐射压力效应进行了实验研究[11]，这为后来腔光机械耦合系统中微纳尺寸的机械振子的辐射压力冷却奠定了基矗1.2.2机械振子研究进展一般情况下，研究机械振子的量子特性系统需要满足mBωkT(其中mω为机
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-3-械振子的共振频率，Bk为玻尔兹曼常数)，所以对振动频率高的小机械振子的选择十分必要。目前，对机械振子冷却的研究已经进入微纳尺度，质量从g-zg的机械振子都相继出现，例如基于F-P腔的机械振子[12-15]，腔中膜结构[16-17],基于回音壁模式的微球振动腔壁[18-22]、微环腔[23-24]、微瓶腔[25-26]以及微盘腔[27-28]，光子晶体缺陷腔与纳米束[29-32]和超导腔光系统[33-34]等，如图1-3、1-4。图1-3质量从g-fg的机械振子，(a)悬挂式宏观镜，(b)悬浮微柱，(c)悬浮微镜，(d)弹床谐振器，(e)悬浮振子，(f)杂化光机系统，(g)微型环，(h)半导体微盘谐振器，(i)双盘微谐振器。图片来自文献[35]然而，对于宏观镜子的腔冷却[36]与利用低温系统进行的腔冷却[37]的实验验证是近些年才完成的。需要注意的是，上文提到的微波腔和微纳尺度的机械振子的冷却实验也已经取得不错的进展[38-40]。值得注意的是，2012年，第一个腔光机械耦合系统中振子机械运动的量子化现象的观察实验被证实[41]，再一次说明腔光机械系统丰富的光学性质与机械性质对机械振子的研究具有显著的优势，近年来，这一领域的理论和实验工作在机械振子量子基态冷却方面都得到了进一步的发展。在理论研究上，可利用腔光机械耦合系统研究丰富的量子效应。2013年，TAPalomaki[42]等人利用传播的电信号来纠缠宏观机械振荡器的运动，并将纠缠态的一半存储在机械振荡器中，从而使两个物理系统实现共享纠缠的量子态，用以测量超越量子极限的的力。同年，AmirH.Safavi-Naeini等人利用集成在硅芯片上的纳米
【参考文献】：
期刊论文
[1]Review of cavity optomechanical cooling[J]. 刘永椿,胡毓文,黄智维,肖云峰. Chinese Physics B. 2013(11)
[2]辐射压力诱导强耦合光机械腔中的简正模式分裂和冷却(英文)[J]. 陈华俊,米贤武. 量子电子学报. 2012(02)
硕士论文
[1]腔光力Si3N4薄膜可分辨边带冷却及冷却激光噪声的高效抑制[D]. 张新艳.山西大学 2016
本文编号：3588398
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
辐射压力原理示意图
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-2-2(a)。一般太阳光的辐射压力非常小，只有彗星运行至太阳系与太阳距离足够近时，彗星表面颗粒所受到的辐射压力才大于彗星引力形成彗尾。其实，光的辐射压力现象的还有很多，其中最具代表性的就是利用太阳辐射压力为动力的太阳帆，如图1-2(b)。只要存在太阳辐射，光压会推动其向远离太阳方向运动。若将帆板的面积做的足够大，那太阳帆所受到的推力是相当可观的。图1-2(a)彗星(b)太阳帆，图片来源www.baidu.com直到1901年，Nichols和Hull[6]的实验才首次证明了Maxwell对辐射压力强度的预测[7]。20世纪70年代，Braginsky利用对振荡器加速度的测定分析出量子性质对其灵敏度的影响[8]，并讨论了对振荡器量子态非破坏性测量的可能性。1975年，Hnsch和Schawlow[9]以及Dehmelt和Wineland[10]两个研究小组同时提出利用辐射压力的非保守性质可将运动的原子冷却。随后1983年，Dorsel,Mccullen,和Meystre等人首次利用宏观机械振子对腔体中的辐射压力效应进行了实验研究[11]，这为后来腔光机械耦合系统中微纳尺寸的机械振子的辐射压力冷却奠定了基矗1.2.2机械振子研究进展一般情况下，研究机械振子的量子特性系统需要满足mBωkT(其中mω为机
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-3-械振子的共振频率，Bk为玻尔兹曼常数)，所以对振动频率高的小机械振子的选择十分必要。目前，对机械振子冷却的研究已经进入微纳尺度，质量从g-zg的机械振子都相继出现，例如基于F-P腔的机械振子[12-15]，腔中膜结构[16-17],基于回音壁模式的微球振动腔壁[18-22]、微环腔[23-24]、微瓶腔[25-26]以及微盘腔[27-28]，光子晶体缺陷腔与纳米束[29-32]和超导腔光系统[33-34]等，如图1-3、1-4。图1-3质量从g-fg的机械振子，(a)悬挂式宏观镜，(b)悬浮微柱，(c)悬浮微镜，(d)弹床谐振器，(e)悬浮振子，(f)杂化光机系统，(g)微型环，(h)半导体微盘谐振器，(i)双盘微谐振器。图片来自文献[35]然而，对于宏观镜子的腔冷却[36]与利用低温系统进行的腔冷却[37]的实验验证是近些年才完成的。需要注意的是，上文提到的微波腔和微纳尺度的机械振子的冷却实验也已经取得不错的进展[38-40]。值得注意的是，2012年，第一个腔光机械耦合系统中振子机械运动的量子化现象的观察实验被证实[41]，再一次说明腔光机械系统丰富的光学性质与机械性质对机械振子的研究具有显著的优势，近年来，这一领域的理论和实验工作在机械振子量子基态冷却方面都得到了进一步的发展。在理论研究上，可利用腔光机械耦合系统研究丰富的量子效应。2013年，TAPalomaki[42]等人利用传播的电信号来纠缠宏观机械振荡器的运动，并将纠缠态的一半存储在机械振荡器中，从而使两个物理系统实现共享纠缠的量子态，用以测量超越量子极限的的力。同年，AmirH.Safavi-Naeini等人利用集成在硅芯片上的纳米
【参考文献】：
期刊论文
[1]Review of cavity optomechanical cooling[J]. 刘永椿,胡毓文,黄智维,肖云峰. Chinese Physics B. 2013(11)
[2]辐射压力诱导强耦合光机械腔中的简正模式分裂和冷却(英文)[J]. 陈华俊,米贤武. 量子电子学报. 2012(02)
硕士论文
[1]腔光力Si3N4薄膜可分辨边带冷却及冷却激光噪声的高效抑制[D]. 张新艳.山西大学 2016
本文编号：3588398
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