光机械系统中反射率和透射率的理论研究

摘要

量子腔光机械系统中电磁场和机械谐振子之间的相互作用可以用量子力学来描述，一个基本的光机械系统包含激光驱动下的腔和震动的镜子，这样的模型经常应用在冷原子和超导微波线路中，对该模型的研究可以进一步促进激光冷却和精细位移探测的深入发展.因此，研究人员发展了许多理论用来描述带有机械振子的腔光械系统，这样的研究经常出现在冷原子物理相关的文献中.本文中，我们研究了不同条件下，光的辐射压对机械振子的作用，这种作用改变了光场的性质和机械振子的动力学过程.
　　在前二章中，我们介绍了研究的相关概念和研究背景.第一章，我们从理论和实验的角度介绍了量子腔光机械系统的不同性质，以及辐射压和耦合常数的作用.第二章，我们重点介绍了光与物质相互作用，光被各种物质散射，比如分子、原子、电介质纳米球、纳米梁等相关问题的研究.同时，我们介绍了经典和量子的光机械系统的描述方式，这些形式对研究光物质相互作用非常重要.
　　当前，腔光机械的研究正在向单光子辐射压对动镜产生位移的方向进展，我们在第三章也将考虑这样的模型.在光子和腔诱导的辐射压的作用下，动镜子将发生简谐振动，在弱耦合假设的前提下，我们解析地计算了光场和场强的反射率和透射率，并且研究了动镜和光腔耦合强度对反射率和透射率的影响.
　　任何在光腔里移动的电介质，如纳米粒子，都会和光场产生相互作用.在第四章，我们研究了一个腔光机械系统，其中腔中的纳米粒子和激光驱动下的腔模相互作用.这种相互作用可以产生不同的动力学过程，可以用于冷却，囚禁，悬浮纳米粒子.我们解析地计算了光场强度及其反射率和透射率.此外，我们还研究了腔内场强，粒子动量和位置随时间的演化.
　　最后，我们给出了全文的总结和讨论.

目录

声明

摘要

Abstract

插图目录

表格目录

主要符号表

1 Introduction

1.1 Overview

1.2 Optical Resonators and Mechanical Resonators

1.2.1 Optical Cavities

1.2.2 Mechanical Resonators

1.3 Radiation Pressure

1.4 Optomechanical Coupling

1.5 Outline of this thesis

2 Light-Mirror Coupling

2.1 Overview

2.2 Force from Light-Matter Interaction

2.3 Basic Optomechanical System

2.4 Light Matter Interaction

2.5 Basic Hamiltonian

2.6 Many Setups

2.7 Regular Scales

2.8 Picture of optomechanics in Classical physics

2.9 Picture of optomechanics in Quautum physics

2.9.1 Red-detuned Regime

2.9.2 Blue-detuned regime

2.9.3 Resonance regime

2.9.4 When detuning is large

2.10 Light Induced Modification of Mechanical Response

2.10.1 Light Induced Shift in Frequency

2.10.2 Optomechanical Damping Rate

2.10.3 Strong Coupling Regime

2.11 Formalism of Optomechanical System

2.12 Classical Mechanical Harmonic Oscillator

2.13 Quantum Mechanical Oscillator

2.14 Optical Empty Cavities

2.14.1 Classical Cavity

2.14.2 Quantum cavity

3 Reflectivity and Transmissivity of Empty Cavity

3.1 Overview

3.2 An Optical Cavity

3.2.1 Transmitted Intensity

3.2.2 Reflected intensity

3.3 Theoretical Framework of Optomechanical System

3.4 Steady State Solution

3.5 Results and Discussions

3.6 Conclusions

4 Reflectivity and Transmissivity of a Cavity Coupled to a Nanoparticle

4.1 Overview

4.2 Theoretrical Framework of Optomechanical System and its Hamiltonian

4.3 Steady State Solution

4.4 Results and Discussions

4.5 Conclusions

5 Summary

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢

作者简介