两能级耦合系统中量子光学特性及传感研究.pdf

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摘要

摘要

两能级系统可与众多量子系统耦合构成新的复合系统,为探究光学特性提

供了良好平台。由碳纳米管、石墨烯等纳米材料制成的机械振子具有高振动频

率和品质因数等优点,在量子传感、精密测量和研究光学特性等方面有着巨大

的应用价值。基于两能级耦合系统的研究产生了许多光学领域的有趣现象,如

电磁诱导透明,光学克尔效应和真空拉比分裂等,且在许多领域里有着十分重

要的应用价值,如:量子计算,量子存储以及设计光学元器件等。本论文研究

了基于两能级耦合系统中的光学克尔效应、真空拉比分裂和电磁诱导透明等光

学现象以及频率和耦合强度等参数测量的传感研究,主要研究内容如下:

首先,研究了基于金刚石氮空位中心(NV色心)耦合碳纳米管和石墨烯谐振

器复合系统的光学特性及频率测量。结果表明,在不同耦合情况下都产生了电

磁诱导透明现象。阐述了透明窗口位置与频率失谐差值之间的相等关系,可以

通过调控参数来调节透明发生的位置。此外,还提出了一种测量金刚石NV色

心与载流碳纳米管之间耦合强度以及石墨烯谐振器振动频率的方法。

其次,探讨了基于两能级发射体耦合石墨烯谐振器及腔场的复合系统中的

克尔效应。讨论了在不同泵浦场拉比频率下的克尔系数,结果显示,泵浦场的

拉比频率越大,克尔系数越大。比较了两能级发射体耦合石墨烯振子的耦合强

度以及耦合腔场的耦合强度对克尔系数的不同影响。同时,探究了石墨烯机械

振子以及腔场的衰减率对克尔效应的影响,结果表明,克尔系数随腔场的衰减

率增大而增大,随石墨烯谐振器的衰减率增大而减小。并且提出了一种关于测

量石墨烯谐振器的振动频率的方法。本研究可为混合量子器件的理论和实验研

究提供指导。

最后,提出了一个由两能级原子,钇铁石榴石(YIG)球体和腔场组成的复合

腔磁系统,研究了基于该系统的吸收光谱的拉比分裂性质。分别讨论了磁振子

与腔光子之间的耦合强度,两能级原子与腔场之间的耦合强度不变时,三种不

同耦合条件机制下的真空拉比分裂特点。结果表明,YIG球体和两能级原子都

影响着拉比分裂特性。该工作为研究两能级原子、YIG球体和腔组成的复合系

统的拉比分裂提供了帮助。

关键词:两能级系统;机械谐振器;电磁诱导透明;克尔效应;真空拉比分裂

II

Abstract

ABSTRACT

Two-levelsystemscanbecombinedwithmanyquantumsystemstoformnew

hybridsystem,whichprovideagoodplatformforinvestigatingopticalproperties.The

mechanicalresonatorsmadeofcarbonnanotubes,grapheneandothernanomaterials

havetheadvantagesofhighvibrationfrequencyandhighqualityfactor,whichhave

greatapplicationsinquantumsensing,precisionmeasurementandstudyofoptical

properties.Theresearchbasedontwo-levelcoupledsystemshasgeneratedmany

interestingphenomenaintheopticalfield,suchaselectromagneticallyinduced

transparency,opticalKerreffectandvacuumRabisplitting,whichhasveryimportant

applicationvaluesinmanyfields,suchasquantumcomputing,quantumstorage,and

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