基于回音壁模式微腔系统的光频梳和Fano共振现象研究

摘要

近年来随着微腔技术的不断发展和日渐成熟，回音壁模式光学微腔系统由于其模式体积小，品质因子高和易于集成的特点受到了越来越广泛的关注。基于以上诸多优点，回音壁模式光学微腔被广泛应用于各种领域，如腔量子电动力学、非线性光学、生物传感器、光通信、量子信息处理、光滤波器、增强的拉曼增益、光机械效应等等。本文研究了回音壁模式光学微腔系统中的光学非线性效应和量子干涉效应，以及系统在精密测量和高灵敏度传感器方面的应用。我们的工作主要包括以下三个方面：
　　1.基于原子-谐振腔-光纤耦合系统，我们提出了在低功率激光（几个纳瓦）驱动下产生可观光频梳的方案。通过研究我们发现原子和微腔的耦合可以产生很强的三阶非线性效应，这种非线性效应要远远强于克尔光频梳中的克尔非线性。得益于这种非线性，当用两束连续激光驱动系统时，系统产生光频梳的阈值也大大降低了。通过数值模拟以及理论分析，我们详细研究了原子所处的位置、光纤-微腔的耦合强度对光频梳产生的影响。发现光频梳的产生对原子的位置以及耦合强度具有很强的稳健性。此外，光频梳的梳齿间距可以通过调节控制光和探测光之间的频率差进行调控。我们的方案适用于各种类型的微腔，比如微盘腔、微球腔、微环腔等等。基于以上优点，我们的系统在精密频率校准、任意波形产生、通信用片上多波长光源、量子信息网络和全光计算等方面具有潜在的应用。
　　2.基于三模（顺时针模式、逆时针模式和机械振子模式）耦合的回音壁模式光机械系统，我们研究了参数可调的多稳态和Fano共振效应。系统由一束强控制光和一束弱探测光驱动，借助海森堡朗之万方程，我们得出了系统的稳态解。通过数值模拟研究发现，调节两个腔模之间的耦合强度可以实现双稳态和多稳态的转化。利用微扰近似的方法，我们给得出了探测光场沿正向和反向传播的光传输系数。通过选择适当的参数值进行数值模拟，我们观察到了非对称的Fano共振线型。而且通过调节两个腔模之间的耦合强度、控制光的光强，光纤和回音壁模式微腔之间的距离以及光机械耦合强度都能实现对Fano线型的控制。我们的研究可以应用于高效全光开关和高灵敏度传感器。
　　3.基于增益的回音壁模式腔光机械系统，我们理论研究了增益对回音壁模式腔光机械系统的影响。研究发现随着增益系数的增大，实现多稳态的阈值越来越小。而且通过调节增益系数实现了双稳态和多稳态之间的转换。通过对透射谱线的数值分析，在增益的回音壁模式腔光机械系统中发现了多重Fano共振现象。这在折射率传感器中有很重要的应用。此外，通过选择适当的增益系数能大大提高传感器的灵敏度。

目录

声明

1 绪论

1.1 回音壁模式微腔简介

1.2 回音壁模式微腔和锥形光纤的耦合

1.3 回音壁模式光学微腔的应用

1.4 本文的主要研究内容和章节安排

2 理论基础

2.1 非线性光学效应

2.2 量子干涉效应

2.3 光机械系统的理论基础

3 回音壁腔中的光学非线性和光频梳的产生

3.1 理论模型及动力学方程

3.2 弱激发近似的无效性

3.3 原子与谐振腔耦合诱导的非线性

3.4 光频梳的产生

3.5 本章小结

4 回音壁腔光机械系统中的多稳态和Fano共振

4.1 理论模型

4.2 WGM腔光机械系统中的光学双稳态和多稳态

4.3 WGM光机械系统中Fano线型的控制

4.4 本章小结

5 增益回音壁模式光机械系统中的多稳态和Fano共振

5.1 理论模型

5.2 增益WGM腔光机械系统中的光学多稳态

5.3 WGM光机械系统中增益对谱线的影响

5.4 本章小结

6 基于非对称传输线型的折射率传感器

6.1 光机械系统传感器的非线性增强

6.2 增益回音壁模式光机械系统的折射率传感器

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 进一步工作的展望

致谢

参考文献

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