光力系統(tǒng)中二階邊帶產(chǎn)生的有效增強(qiáng)及其應(yīng)用

胡錦霄

（南陽理工學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 南陽473004）

1 概述

腔光力學(xué)[1-3]是由具有一個(gè)可移動反射鏡的光學(xué)微腔構(gòu)成的光學(xué)器件，具有獨(dú)特的耦合光子和聲子的能力。近年來，由于光學(xué)腔和力學(xué)諧振器的微/納加工技術(shù)的迅速發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)PT 對稱光學(xué)器件[4]方面，在芯片型集成光學(xué)器件方面取得了巨大的進(jìn)展。芯片設(shè)備作為納米制造技術(shù)改進(jìn)的結(jié)果，已經(jīng)被證明具有良好的耦合電子、光學(xué)模式和力學(xué)模式的能力，提供可集成的具有擴(kuò)展功能的納米電子和納米光子器件。特別是PT 對稱光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中光學(xué)增益可以補(bǔ)償系統(tǒng)的損耗，提高腔體的品質(zhì)因子，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，并顯示出巨大的控制光聲相互作用的潛力。例如，微腔與微腔、原子、力學(xué)振蕩器以及磁振子之間的耦合強(qiáng)度可以有效地增強(qiáng)[4-5]。

眾所周知，對稱性是物理學(xué)[6-7]和PT 對稱光學(xué)結(jié)構(gòu)中最重要的基本概念之一，在PT 對稱相和PT 對稱破缺相[7]的情況下，PT對稱光學(xué)結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出完全不同的光學(xué)行為。對稱相和破缺相之間的邊界稱為非厄米簡并點(diǎn)或奇異點(diǎn)(EPs)，其中系統(tǒng)的特征值和對應(yīng)的特征向量同時(shí)合并[8]。眾所周知，光力耦合的非線性本質(zhì)在各種基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作的非線性本質(zhì)，在光力學(xué)的應(yīng)用中，在考慮光力非線性的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多有趣的現(xiàn)象，如高階邊帶產(chǎn)生、光力混沌等。由于非線性光力相互作用，一般的光力系統(tǒng)中存在二階邊帶效應(yīng)。利用實(shí)驗(yàn)可行的系統(tǒng)參數(shù)對光力誘導(dǎo)的二階邊帶產(chǎn)生進(jìn)行增強(qiáng)和控制對實(shí)現(xiàn)低功率光學(xué)高階邊帶產(chǎn)生和高靈敏度傳感具有重要意義。

2 物理結(jié)構(gòu)與動力學(xué)方程

2.1 物理結(jié)構(gòu)

圖1 (a)是混合腔光力系統(tǒng)原理圖,(b)是輸出的頻譜

2.2 動力學(xué)方程

作為二階邊帶產(chǎn)生過程的效率，即二階邊帶的幅度與探測場的比值。接下來，本文想要證明PT 對稱力學(xué)諧振腔在輸出場中起著重要的作用，特別是增強(qiáng)和劈裂的二階邊帶。

3 二階邊帶的產(chǎn)生與放大

從圖2(d)可以看出，在奇異點(diǎn)EP 附近，二階邊帶的產(chǎn)生效

圖2 力學(xué)耦合強(qiáng)度和控制探測場失諧的條件下二階邊帶產(chǎn)生效率的函數(shù)圖

4 結(jié)論

綜上所述，本文提出利用PT 對稱的力學(xué)模式來設(shè)計(jì)一個(gè)三模光力系統(tǒng)來研究二階邊帶產(chǎn)生的一些重要特性。該復(fù)合系統(tǒng)由強(qiáng)控制場和弱探測場組成的雙色譜激光場相干驅(qū)動。采用微擾法對二階邊帶的產(chǎn)生過程進(jìn)行了分析計(jì)算。具體地說，(i)由于力學(xué)模式的分裂，探測場的透射譜和二階產(chǎn)生效率可以在PT對稱相中分裂為兩個(gè)峰值。(ii)由于PT 對稱破缺相區(qū)域力學(xué)超模的合并，二階邊帶振幅的峰值由雙峰變成了一個(gè)尖峰。(iii)由于光力非線性的顯著增強(qiáng)，在奇異點(diǎn)EP 附近的二階邊帶生成效率可以得到極大的提高。與以往的光學(xué)系統(tǒng)相比，通過調(diào)整力學(xué)振子的增益- 耗散耦合，可以方便地改變輸出場的性質(zhì)，即改變力學(xué)振子耦合系數(shù)可以使系統(tǒng)從PT 對稱相過渡到PT對稱破缺相，相應(yīng)的，輸出場包括探測場和二階邊帶的透射譜都從雙峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏褰Y(jié)構(gòu)，而且在奇異點(diǎn)附近二階邊帶的產(chǎn)生效率會得到極大的提高。從二階邊帶產(chǎn)生的這些特征出發(fā)，還可以提出一種利用輸出光譜來區(qū)分力學(xué)PT 對稱相和力學(xué)PT 對稱破缺相的新方法。