原子系综-光腔-机械振子三元耦合腔光力系统中的非线性光学特性研究

Cavity optomechanical system is composed of an optical element (optical cavity) and a mechanical one (mechanical resonator) via the radiation pressure of light. It selects all the merits of different physical systems by the hybrid method, has become a new field in quantum optics and nonlinear optics due to its potential applications in quantum control, all optical communication, and optical information processing. Recently, a lot of theoretical and experimental researches on the optical properties have been done in the cavity optomechanical systems with two coupling elements. However, just a few authors have paid attention on the optical phenomena in the complicated cavity optomechanical systems. This project proposes to discuss the nonlinear optical properties systematically in a hybrid cavity optomechanical system with three coupling elements as the atoms, the cavity and the resonator by solving Heisenberg-Langevin equations. The optical bistability, electromagnetically induced absorption phenomenon, fast light effect, and the higher-order sidebands effect will be discussed detailedly in this hybrid system. This project aims at revealing and effectively controlling the optical phenomena and the properties in this hybrid cavity optomechanical system. This project provides the theoretical basis for the possible applications of this hybrid cavity optomechanical system on all optical communication and optical information processing, and also paves the way for researching the optical properties in the complicated cavity optomechnical systems.

腔光力系统是通过光辐射压作用将光学元件（光腔）和力学元件（机械振子）耦合形成的混杂系统，它通过混杂的方法把不同物理系统的优点结合在一起，在量子调控、全光通讯及光信息处理方面有着重要的应用价值，因而迅速成为量子光学和非线性光学领域中的一个全新研究方向。目前，大量的理论和实验工作研究了简单腔光力系统中的非线性光学性质，而对较为复杂的腔光力系统中的光学行为缺少系统深入的研究。本项目拟以原子系综-光腔-机械振子三元耦合腔光力系统为研究对象，通过求解海森堡-朗之万方程组的方法，系统地讨论该耦合系统中的非线性光学行为，包括光学双稳行为、电磁诱导吸收效应、快光效应及高阶边带效应等。本项目旨在揭示原子系综-光腔-机械振子三元耦合腔光力系统中的光学现象和特征，实现对该系统中光学行为的有效调控，为该系统在全光通信及光信息处理方面的实际应用奠定理论基础，为研究复杂腔光力系统中的光学特征提供依据。

光力系统中产生的新颖光学现象近年来引起了人们的极大关注，光力系统与其他光学介质如量子阱、量子点、原子等耦合形成的杂化系统中的光学性质也成为了近年来的研究热点。本项目以原子系综-光腔-机械振子三元耦合光力系统为理论模型，已经全面系统地研究了该系统中的非线性光学特性，完成了项目的所有研究计划要点，达到了预期的目标，取得了一系列重要的研究成果。项目负责人以第一作者或者通讯作者身份发表SCI期刊论文6篇，合作发表论文1篇。本项目取得的主要研究成果概况如下：1、研究了原子系综-光腔-机械振子三元耦合光力系统中的光学双稳性，研究发现调节原子-泵浦失谐量满足红失谐或者蓝失谐条件都可以激发系统产生光学双稳行为。2、研究了系统中的光力诱导吸收和放大效应。研究发现在光腔与驱动光过耦合情况下，通过增强原子-光腔耦合强度可以在系统中实现光力诱导吸收现象。研究还发现，在泵浦功率一定时，通过改变原子-光腔耦合强度可以实现光力诱导吸收到光信号放大的转变。3、研究了系统中的慢光和快光效应。研究发现，在蓝失谐条件下，该系统产生的慢光引起的延迟时间或快光导致的加快时间为秒量级，高出红失谐条件下相应量三个数量级。研究还发现，在此条件下，通过调节泵浦光功率或者原子-光腔的耦合强度都可以有效地实现快光和慢光之间的转换。4、研究了系统中的二阶边带效应。研究发现，原子-光腔耦合强度和原子-泵浦光失谐量共同决定了二阶边带产生效率。当调节耦合强度和失谐量为最优值时，二级边带的产生效率超过了一阶边带的产生效率。5、研究了系统中的四波混频效应。研究发现，由于原子系综和光腔耦合，系统中的四波混频现象被极大地增强。当探测光与泵浦光共振时，通过调节原子-泵浦失谐量可以有效地开关四波混频的产生。这一项目的开展为原子系综-光腔耦合光力系统在量子信息领域及光学器件方面的潜在应用提供了有力的理论指导。