对于光与机械振子的耦合,目前主要存在两种形式:一种是通过光压,另一种是通过磁共振力。而在光机械系统中,光与机械振子的耦合正是通过光压来实现的。
图1。腔光机械系统示意图。A为光腔一端固定的腔壁,B为另一端可以在平衡位置附近做微小振动的腔壁,相当于连在一个弹簧上,腔内光场通过光压与腔壁B的机械运动耦合。
光机械系统在精密测量、量子光学、信息科学等领域有着很大的应用前景等待着被发掘。人们也试图通过这个系统,将光学、凝聚态物理、纳米技术、量子信息、超冷原子物理、腔量子电动力学交融在一起,来推动腔光力学的发展[3]。最近,光机械系统在高精度位移测量、引力波测量、质量探测和量子行为转变的研究中取得了重大进展。为了深入研究光机械系统中的现象,人们首先对光机械系统进行冷却,来观测基态冷却下光学腔内的现象[4]。在最近的几十年里, 国内已有很多学者研究了光机械学系统中的量子纠缠问题等,基于声子和光子之间的相互作用, 在声光耦合过程中光子和声子会产生相互性的激发,能量在光场和纳米机械振荡器之间进行交换, 从而达到相互控制的目的。借助光机械系统可制造出高灵敏的弱力探测器或光声子控制开关,也可以在纳米量级的机械振荡器上用光子去除声子来冷却机械振子, 所以光机械系统的研究特别是声光耦合的研究在光力学的应用中具有重要的现实意义[5]。最近,已经有人研究证实当用一束泵浦光和一束探测光驱动光机械系统时,在一定条件下,泵浦光可以有效的调制探测光的透射谱,利用这项技术,在光机械系统中我们就有可能实现对光信号的全光调制。为光机械系统中“慢光效应”、“光信号放大”等开辟了道路,也为光机械系统在光信息处理和量子光学等领域的研究和实际应用提供了思路。
1。2 实验上的几种腔机械系统
近年来,随着技术的发展,实验上已经能生产出多种光机械系统,如:薄膜腔光机械系统,玻色-爱因斯坦凝聚体光机械系统,环形腔光机械系统,光子晶体腔光机械系统等。下面,我们将简要介绍几种光机械系统:
(一)薄膜腔光机械系统
这一类光机械系统的腔中存在着一个可以移动的薄膜,由耶鲁大学的Harris小组首先发现。如图2(a)所示腔由两个固定为L的镜子组成,可以移动的薄膜由氮化硅组成。其优点在于机械振子与光腔的镜子是处于分离状态,有利于得到具有高品质因子的光腔。这类光机械系统的优点在于耦合强度是可调的,原因是该系统中的薄膜的位置决定着机械振子与光学腔之间的耦合强度。同时,薄膜与腔场之间的相互作用是很强的,但在节点上,其相互作用却很微弱。同时,这种系统也可以看成是由两个腔耦合形成的腔光机械系统,可以看成原来的腔由薄膜分为两个,而新形成的两个腔中每一个腔都有一端是可以移动的。对于给定的光学模,光会主要作用在薄膜的某一面上,从而形成辐射压力。
(二)玻色-爱因斯坦凝聚体光机械系统文献综述
与薄膜腔光机械系统类似,这里起到了机械振子的作用的是玻色-爱因斯坦凝聚体的集体密度激发。如图2(b)两束反向传播的激光束在腔内形成了垂直方向上的驻波,原子可以放到此驻波的偶极势中。通过改变这两束光波之间的频率差,便可以改变驻波的模式。当原子进入腔场后会被限制在由一束向上或向下的光束和一束附加的水平偶极光束形成的交叉光束偶极势中,这样一来,就可以成功地将玻色-爱因斯坦凝聚体限制在光学腔中,并且此光学腔具有高品质因子,通过控制限制的位置,就可以达到调节原子与光场之间的相互作用的目的。