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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

本课题的研究目的在于：（1）了解腔光力机械系统的组成结构、运行机制以及使用计算机进行模拟仿真的方法。（2）了解二次耦合型腔光力机械系统中双声子过程的产生机理、光子-声子的耦合过程、光力诱导透明的原理以及使用外加相干驱动场实现光力诱导放大的机制。（3）利用Heisenberg-Langevin 公式结合计算机仿真实验，分析二次耦合型腔光力系统中的动力学过程。（4）以一种二次耦合型腔光力机械系统为例，实现光力诱导透明和对放大特性的调控。

本课题的研究意义在于：（1）紧跟国际量子光学、微纳光子学前沿。近年来，微腔光力学随着现代微纳加工技术的进步，以及超精密测量需求的增大，正在国内外蓬勃发展，其在不同领域中的应用也在被慢慢挖掘出来。同时，这一系统本身依然存在很多未知的领域值得我们去探索。（2）微腔光力机械系统，给人类提供了一个在“宏观（具有宏观尺寸和宏观质量）”物理系统中观测到量子相干现象的机会。同时，通过这一系统，人们可以观察到很多奇异的量子现象，验证一些理论，并发现新的问题。（3）微腔光力机械系统，尤其是其中的很多非线性效应，给全光开关、全光三极管的研究提供了新的思路，这将有助于新一代计算与通信系统体系结构的研究和基础元件的研制。（4）通过本课题，可以将量子力学、光学、计算物理学等知识应用于实际科研活动中，锻炼相关知识的综合应用能力。（5）通过本课题，可以进一步掌握进行科学研究与写作科技论文的方法。（6）相关研究工作也可以加深本人对非线性光学的认识和理解。

国内外研究现状

国内的相关研究进展有：Si L G 等进行的二次耦合光力机械系统中光力诱导透明现象和放大作用的研究，其从理论上分析了由强耦合场和弱信号场驱动的二次耦合光力机械系统的输出场特性，系统具有复杂的量子相干和干涉效应，证明了该器件可以作为光学晶体管；陆赫林、杜春光对回音壁微腔光力系统的相干控制与完全相干透射进行了研究，通过改变双微腔两侧探测场的强度比值及相位差， 有效地控制了电磁诱导透明窗口的宽度和深度, 并且能够在特殊频率处产生关于探测场的完全相干透射；许业军等对双光力诱导透明窗口的可调特性的研究，其利用两纳米机械振子间的库仑耦合作用实现弱探测光的双光力诱导透明窗口；Zhang X Y 等在腔光力机械系统中对线性与二次耦合的光力诱导透明现象进行了研究。该系统是由两个腔和一个膜组成的复合腔光力机械系统，由于膜与腔之间的线性和二次耦合，在 δ=ωm 和 δ=2ωm 附近可同时观察到光透明现象。他们也在pt 对称的腔光力机械系统中进行了光力诱导双透明窗口与吸收的研究。当机械振荡器通过库仑相互作用耦合到另一个系统时，可以观察到双光力诱导吸收(OMIA)现象；Ma J L、Tan L 等也探讨了振子和偶极-偶极相互作用对多重光力诱导透明现象的影响，当n 个腔与n 个机械振子耦合时，输出场中可以观察到2n1(n10) 个透明窗口，同时机械振子与不同的偶数或奇数个腔耦合时，可以导致不同的光力诱导透明（OMIT）效应。国外的相关研究进展包括：D P Lake 在热稳定金刚石微腔中进行了光力诱导透明与机械振子冷却的研究，其克服了相干光子声子在高品质因子光学腔内发生相互作用时受到热光不稳定性因素影响的缺陷；R R Oliveira 对于一种基于光学腔的电磁诱导透明的多任务装置的研究，其从理论上探讨了利用电磁诱导透明和腔量子电动力学相结合的方法实现单面和双面腔结构的量子存储器和光学晶体管的可行性。F M Buters 也在实验上利用零差干涉测量观测到光力诱导透明现象，且探测场的透明窗口可以调制在极窄的共振频率范围内。其中，引用程度最高的，是两篇中外学者合作的文章，一篇由Zou C L，Dong C L 为通讯作者，Shen Z 为第一作者，中外五家单位联署，研究了光力诱导非互易性以及实验实现的方法，观察到了光力诱导非互易透明和放大，并显示了高达40度的非互易相移；还有一篇是Jing H 为通讯与第一作者，中外七家单位联署，对光力机械诱导透明在pt 对称的微谐振器中的研究，其具体研究了光力诱导透明在可调谐增益/损耗比的pt 对称微谐振器中的实现问题，该系统的特点是边带反转，非放大透明等等。可见，近年来，微腔光力学的相关研究正在国内外蓬勃发展，其一个相当热门的研究方向即是在新型微纳光子器件中的应用。微腔光力学中的奇异量子现象与非线性效应，为下一代经典以及量子通信或计算平台基础元件的研制提供了一个重要的思路。另一个相当热门的研究方向是使用量子电动力学对腔光力机械系统中的物理机制进行的理论研究，这将有助于我们更加深入的了解一些量子效应，以及在其他系统中较难观察到的，但在此系统中容易产生的非线性物理过程。

2. 研究的基本内容

1、了解腔光力机械系统的组成和运行机制。

2、了解腔光力系统中双声子过程的产生机理。

3、利用heisenberg-langevin 公式计算腔光力系统中的动力学行为。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：在量子力学的理论基础上，首先确定腔光力机械系统的hamiltonian。随后，利用heisenberg-langevin 公式计算腔光力机械系统中光束的传播动力学。最后，利用微扰理论计算输出的探测场透射谱。具体计算采用科学计算软件 matlab 和 mathmatica 编程实现。

进度安排：2018.11 开题2018.12 制定计划，了解基础知识与背景2019.01 理论部分学习2019.02 编程与计算2019.03 整理实验数据2019.04 论文初稿，讨论、修改与补充2019.05 论文定稿

预期效果：依据进度安排，完成本课题“二次耦合型光力系统中光力诱导透明和放大的理论研究”的所有理论计算。利用腔光力中的辐射压，对探测场透射谱进行相干调控。同时，将理论结果以毕业论文的形式呈现。

4. 参考文献

[1] thompson j d, zwickl b m, jayich a m, et al. strong dispersive coupling of a high finesse cavity to a micromechanical membrane[j]. nature, 2008, 452(7183): 72-75.

[2] si l g, xiong h, zubairy m s, et al. optomechanically induced opacity and amplification in a quadratically coupled optomechanical system[j]. physical review a, 2017, 95(3): 033803.

[3] huang s, agarwal g s. electromagnetically induced transparency from two-phonon processes in quadratically coupled membranes[j]. physical review a, 2011, 83(2): 023823.