1.1 腔光机械系统的理论简介
距今400年前,开普勒首先提出了光压的概念,这一概念的提出比麦克斯韦电磁理论的建立早了100多年。开普勒同时指出,彗星在靠近太阳的时候,彗星中的尘埃和气体分子由于受到了光辐射压力的作用产生慧尾,而彗尾则永远是朝着远离太阳的方向。
:彗尾的方向示意图。源/自:751:`论~文'网www.751com.cn
光与纳米机械振子正是通过光压这种形式而产生相互作用,而光腔的使用恰好能够更有效地增强它们之间的耦合强度。最原始的光机械系统如图1-2所示,腔的两个镜子中左边的镜子保持不动,右边的镜子像是连在一根弹簧上并且可以在平衡位置做微小振动,起到了机械振子的作用。光腔和机械振子通过辐射压力可以有效耦合起来,从而形成了光机械系统。
光机械系统的模型示意图。腔受到一束频率为 的输入光驱动,左边的镜子是固定的,右边的镜子可以自由振动,起到了机械振子的作用。
机械振子可用简谐振子的哈密顿量描述, ,其中 , 分别是声子的产生、湮灭算符。能量本征值为 ,其中 是机械振子的声子数,当N=0时,表示量子基态。当机械振子处于基态时,基态能量 将产生零点运动,大小为 ,其中m是振子的有效质量, 是振子的共振频率。
1.2 几种比较典型的腔光机械系统
目前,除了纳米光腔和可移动腔壁耦合构成的光机械系统之外,随着纳米科技的发展实验上已经制备出了多种光机械系统,下面简单介绍几种典型的腔光机械系统。
(一)环形腔光机械系统
Kippenberg小组成员在实验上成功地实现了环形微波腔光机械系统。环形微波腔由于拥有很高的品质因子 ,所以它可以同时支持光学模式和机械模式,如图1-3(a)所示,一个环形光腔被一个锥形支柱支撑。由于环形腔具有弯曲的特征,当对腔施加光学驱动时,腔内的循环光子将对腔壁施加辐射压力,因而腔壁发生弹性形变,从而导致腔内循环光子的分布和路径发生了改变,这样环形微波腔内的力学自由度和光学自由度有效耦合起来,形成耦合光机械系统。近年来环形微腔中的机械模式冷却得到了广泛的研究,研究人员将这一系统和一个低温保持器集成起来,利用辐射光压实现了对该机械振子的冷却。