光力系統中二階邊帶產生的有效增強及其應用

胡錦霄

（南陽理工學院信息工程學院，河南 南陽473004）

1 概述

腔光力學[1-3]是由具有一個可移動反射鏡的光學微腔構成的光學器件，具有獨特的耦合光子和聲子的能力。近年來，由于光學腔和力學諧振器的微/納加工技術的迅速發展，在實現PT 對稱光學器件[4]方面，在芯片型集成光學器件方面取得了巨大的進展。芯片設備作為納米制造技術改進的結果，已經被證明具有良好的耦合電子、光學模式和力學模式的能力，提供可集成的具有擴展功能的納米電子和納米光子器件。特別是PT 對稱光學結構，其中光學增益可以補償系統的損耗，提高腔體的品質因子，已經在實驗中實現，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、力學振蕩器以及磁振子之間的耦合強度可以有效地增強[4-5]。

眾所周知，對稱性是物理學[6-7]和PT 對稱光學結構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對稱光學結構可以表現出完全不同的光學行為。對稱相和破缺相之間的邊界稱為非厄米簡并點或奇異點(EPs)，其中系統的特征值和對應的特征向量同時合并[8]。眾所周知，光力耦合的非線性本質在各種基礎研究和實際應用中起著至關重要的作的非線性本質，在光力學的應用中，在考慮光力非線性的同時，發現了許多有趣的現象，如高階邊帶產生、光力混沌等。由于非線性光力相互作用，一般的光力系統中存在二階邊帶效應。利用實驗可行的系統參數對光力誘導的二階邊帶產生進行增強和控制對實現低功率光學高階邊帶產生和高靈敏度傳感具有重要意義。

2 物理結構與動力學方程

2.1 物理結構

圖1 (a)是混合腔光力系統原理圖,(b)是輸出的頻譜

2.2 動力學方程

作為二階邊帶產生過程的效率，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 對稱力學諧振腔在輸出場中起著重要的作用，特別是增強和劈裂的二階邊帶。

3 二階邊帶的產生與放大

從圖2(d)可以看出，在奇異點EP 附近，二階邊帶的產生效

圖2 力學耦合強度和控制探測場失諧的條件下二階邊帶產生效率的函數圖

4 結論

綜上所述，本文提出利用PT 對稱的力學模式來設計一個三模光力系統來研究二階邊帶產生的一些重要特性。該復合系統由強控制場和弱探測場組成的雙色譜激光場相干驅動。采用微擾法對二階邊帶的產生過程進行了分析計算。具體地說，(i)由于力學模式的分裂，探測場的透射譜和二階產生效率可以在PT對稱相中分裂為兩個峰值。(ii)由于PT 對稱破缺相區域力學超模的合并，二階邊帶振幅的峰值由雙峰變成了一個尖峰。(iii)由于光力非線性的顯著增強，在奇異點EP 附近的二階邊帶生成效率可以得到極大的提高。與以往的光學系統相比，通過調整力學振子的增益- 耗散耦合，可以方便地改變輸出場的性質，即改變力學振子耦合系數可以使系統從PT 對稱相過渡到PT對稱破缺相，相應的，輸出場包括探測場和二階邊帶的透射譜都從雙峰結構轉變為單峰結構，而且在奇異點附近二階邊帶的產生效率會得到極大的提高。從二階邊帶產生的這些特征出發，還可以提出一種利用輸出光譜來區分力學PT 對稱相和力學PT 對稱破缺相的新方法。