高品质因子微腔的调谐以及应用

摘要

随着科学技术的飞速发展，人们对于量子力学从理论到实际应用进行了大量广泛而又深入的研究。由于量子态的量子叠加、量子非局域性和量子不可克隆的基本特性，量子信息科学在这个世纪前后得到了迅猛的发展，尤其是在理论上保证通信绝对安全的量子通信，以及在量子计算机上期望的相对于经典计算机的量子霸权。因此，量子信息科学被国内外的研究人员们积极而广泛的研究和探索。其中，由光的全反射而在介质中形成的超高品质因子的回音壁模式光场分布的介质光学微腔系统，由于其极小的光场模式体积和超高的光子寿命，是研究原子与光子相互作用的腔量子电动力学、以及在不同介质微腔中研究非线性光学的重要平台，不仅在量子信息领域，甚至在传感和激光器等传统领域，都有广阔的应用前景和重要的研究价值。除此之外，还有诸如光学滤波器、光学环形器、延时器件、光学波长转换、光学非互易器件等诸多应用。结合微腔的机械模式实现的光学模式的波长转换在未来的光机械微腔量子网络中作为转换节点，可以有效实现量子信息的处理和传输;通过通信波段激光来实现全光学远程微腔机械模式的同步也在未来的宏观微观纠缠以及量子信息网络中大有用武之地。
　　本篇论文就介绍了我们实验室在回音壁模式微腔调谐这方面的研究工作。在量子信息科学对微腔的种种应用中，比如，腔量子电动力学中对于腔模式和原子等之间频率的匹配，片上集成的激光器对于不同波长的发射激光频率的需求以及过滤和隔离特定波长等，回音壁模式微腔的调谐都是必不可少的。但是由于加工手段的限制，往往一个腔制备完成之后所设想的工作频率与实际频率都存在着差别，因此都对回音壁模式微腔的调谐控制特性提出了一定的要求。因此，我博士期间的主要工作是针对微腔的调谐进行了实验研究，并且结合实验室制备的样品的可调谐特性实现了实用的光学器件，最后利用微腔的可调谐特性首次实现了两个远距离级联微腔系统的全光学远程同步。
　　具体内容为为下四个方面:
　　1.回音壁模式微腔耦合系统及其调谐
　　微腔耦合系统是我们实验的基础。首先介绍回音壁模式微腔系统的基本组成元素，包括微腔和耦合波导，及其传统的制备方法。然后介绍相应的基本耦合测量系统的实验装置和基本理论。还会对已经进行过的微腔的调谐的研究进简要的介绍，以及微腔调谐的意义和动机也会有所探讨。
　　2.瓶状微腔的制备及其调谐应用
　　实验工作集中于回音壁模式微腔的调谐及其应用。本人在所在实验室首次搭建出了瓶状微腔的制备装置，并且在参考前人工作的基础上进行一定的创新，制备光学品质因子高于108并且便于大范围调谐的瓶状微腔。在研究了光学模式调谐的同时，也深入研究了瓶状微腔的机械模式的调谐，这在后续的远程全光学同步实验中都有直接的应用。然后介绍了基于可调谐回音壁模式瓶状微腔的可调谐add-drop滤波器和可调谐拉曼激光器等器件。
　　3.级联微腔的全光学远程同步
　　近些年来，同步和频率锁定在很多的系统中都被研究人员所观察到，而且在信号处理、射频通讯、时钟同步及相位锁定等方面都有重要的应用，因此同步是一个很有意义的研究课题。在这部分我们介绍了在实验上结合瓶状微腔的机械模式和光学模式的可调谐特性，通过长距离（10km）通讯波段光纤实现了不同微腔系统之间的全光学远程同步，并且在理论上对实验结果进行了分析和解释。这种微腔的级联同步在复杂光机械微腔网络中有广阔的应用前景。
　　4.聚合物微腔弱力测量
　　在聚合物微腔的大范围调谐方面我们也进行了一些研究，制备了超大范围(50nm)的可调谐的聚合物回音壁模式微腔，研究了其光学模式的调谐特性，并且首次分析了微腔在弱力测量方面的可能性。

目录

声明

摘要

1．1 腔量子电动力学简介

1．2 回音壁模式微腔

1．2．1 回音壁微腔简史

1．2．2 回音壁微腔分类及制备

1．2．3 光与微腔耦合

1．2．4 回音壁微腔的应用

1．3 本章小结

第2章 微腔的基本性质

2．1 光学模式

2．1．1 几何光学分析

2．1．2 电磁场理论分析

2．1．3 瓶状微腔回音壁模式场分析

2．1．4 品质因子(Q factor)

2．1．5 微腔的调谐

2．2 机械模式

2．3 耦合理论

2．4 小结

3．1 简介

3．2 瓶状微腔的制备

3．3 光纤锥波导的制备

3．4 耦合系统

3．5 小结

第4章 微腔调谐的应用

4．1 光学模式与机械模式的调谐

4．2 可调谐窄带滤波器

4．3 可调谐拉曼激光器

4．4 小结

第5章 光机械振子远程同步实验验证

5．1 同步简介

5．1．1 同步的基本概念

5．1．2 同步的理论

5．2 实验与理论结果

5．2．1 同步实验

5．2．2 理论计算结果

5．3 小结

第6章 聚合物微腔的研究

6．1 聚合物微腔简介以及制备

6．2 聚合微腔的特性

6．3 聚合物微腔弱力传感

6．3．1 调谐速率的理论计算

6．3．2 弱力传感

6．3．3 重物高度变化的测量

6．4 小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

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