PT对称系统中光子-声子/磁子动力学特性的理论研究

论文摘要

对称性是物理学中最重要的基本概念之一,PT对称光学系统及其相关应用的研究已经成为非线性光学和量子光学等相关学科领域的前沿问题并取得了许多激动人心的进展。近年来,伴随着光学微腔结构特别是光力系统的发展,PT对称的微腔系统已经在实验上实现并且观测到了一系列传统结构所不能实现的光学效应。PT对称结构相比于传统结构根本的区别就是在于它具有增益,而增益可以用于补偿系统的耗散,并且可以提高腔的品质因子,以致于可以等效的增强微腔与微腔、原子、振子以及磁子之间的耦合强度。通过研究不同的PT对称结构对光传输特性的影响,不但可以加深我们对PT对称理论的理解和认识,还可以促进PT对称光学器件在精密测量和光通讯等领域的应用。本文从PT对称的光学结构出发,研究光子、声子和磁子的动力学特性及其在信息传输等相关领域的应用。主要内容具体可以分为四个部分:1.我们在PT对称光力系统的基础上引入光场的偏振自由度并研究其中的声子激光现象,通过理论计算发现不同的线性偏振光对系统进行泵浦会出现不同强度的光力非线性相互作用,从而产生具有低功耗和易调控双重优点的声子激光现象,尤其是通过改变泵浦光的偏振方向可以连续的调节声子激光的强度和阈值。另外,我们还发现存在一个实现声子激光的最优参数区域,这可以指导我们设计更加高效的声子激光器。最后,通过矢量PT对称的腔光力系统还可以将光学偏振信息转化为声子数信息。偏振是光的一种基本特性,光偏振相关的特点对声子激光的实际应用起到了十分重要的促进作用,如设计低功耗可调的声子激光器和光声转化器等。2.我们提出一种PT对称的光磁系统来研究磁子调控的光传输现象,其中增益的腔模与磁子之间处于强耦合机制。研究发现由于增益诱导增强了腔场和磁子之间的相干耦合,探测光的透射率相比于衰减的腔磁系统显著地增强了大约四个数量级,并且谱线宽度也变得更窄。另外,探测光的透射率与外加磁场强度之间有类似于洛伦兹谱线的函数关系,说明光的传输特性可以通过调节外加的磁场很好的控制,这为我们提供了一个额外的自由度去实现对光学透明和放大的相干操纵。我们的研究结果提供了一种新的方法去研制低功耗磁场可控的光学放大器,并且可以将磁场调控的特点应用到光通讯领域。3.我们在增益的光磁系统中加入磁子克尔非线性,发现增益腔的引入使磁子的动力学行为具有磁场可控的特点。具体来说,由于外加磁场可以控制磁子的本征频率,进而控制磁子克尔非线性形成混沌的过程。其中,我们发现可以通过调节外部磁场使磁子从规则运动到混沌运动的转换,反之亦然,而且还可以调节磁子暂态混沌的寿命。这种磁场可控的磁子混沌是用来探究磁子动力学基本物理过程的有力工具,也加深了我们对磁子非线性的理解与认识。我们的结果为探索磁场控制的混沌现象开辟了道路,并可能在保密通信中有很多潜在的应用。4.我们研究了包含PT对称力学振子的光力系统的光场传输特性,发现在PT对称区域由于力学振子出现模式劈裂,探测场的透射谱会出现两个峰值,而且在EP点附近,共振情况下的OMIT效应能被显著增强,其透射率相比普通光力系统增大约三个数量级。同时,力学EP点还可以调控系统的快慢光效应,其不仅可以放大群延时,还可以控制快慢光之间的转变。我们机制中群延时对耗散具有很强的鲁棒性而且出现快慢光现象所需的功率很低,这两个优点有助于快慢光效应在芯片型光学元器件和低功耗光信息处理等方面发挥重要作用;另一方面,这个力学EP点调控的快慢光效应能够有效的解决光纤通信网络设计与信息处理中的调控问题。利用PT对称力学结构来操控光信息传输的方法将可能激发人们对力学EP点和新型PT对称光器件设计的研究兴趣。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪宝

导师: 吴颖

关键词: 对称,光偏振,声子激光,磁子混沌,光传输

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O437

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004850

总页数: 124

文件大小: 10890k

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