楊燕鵬 汪 寶

（南陽理工學院信息工程學院，河南 南陽 473004）

光在傳播過程中攜帶動量，當光與物質(zhì)相互作用時，由光向物體傳遞的動量就會引起一種叫做輻射壓力[1]的效應。開普勒在17 世紀就發(fā)現(xiàn)了有關現(xiàn)象，那就是彗星的尾跡，它的尾跡都是背對著太陽的，該現(xiàn)象就與輻射壓力有統(tǒng)計學意義。此后，尼古拉斯、赫爾通過實驗第一次證明了這種輻射壓力的存在。腔光力系統(tǒng)是利用光輻射壓力實現(xiàn)腔中光場與力學諧振子[2]之間相互作用的系統(tǒng)。在以往的研究中，以腔光力系統(tǒng)作為研究平臺探索量子基礎科學領域奧秘取得了許多重大進展[3]。在該基礎上，腔光力體系也逐漸被應用于超高精度探測與光信息處理中，從而實現(xiàn)對光場的單向?qū)?、存?讀取光信息以及變換光的波長等功能。其中，國內(nèi)外科研人員在對光場的單向傳導特性、光信息的存儲/讀取等方面的研究中，發(fā)現(xiàn)這類信息的處理都離不開一種非線性的量子光學效應，即光力誘導透明效應。

1 矢量腔光力系統(tǒng)

矢量腔光力系統(tǒng)由帶有1 個可移動鏡面的法布里-珀羅腔[4]組成?？蓜隅R的質(zhì)量為m，共振頻率為Ωm，對法布里-珀羅腔來說，可以引入1 組正交的偏振基向量，其中豎直模式和水平模式分別對應橫電波模式TE 模式和橫磁波模式TM 模式，任意1 個線偏振的向量可以分解為（α、β為任意常數(shù)，并且|α|2+|β2|=1）。為了方便研究，在該文中，正交基和是1 組與橫電波模TE 模式和橫磁波模TM 模式對應的偏振方向的正交基向量[5]。矢量腔光力系統(tǒng)及腔內(nèi)模式分布如圖1 所示。

圖1 矢量腔光力系統(tǒng)示意圖

由線偏振光驅(qū)動的光力系統(tǒng)的哈密頓量如公式（1）所示、公式（2）所示[6]。

為了方便研究，選擇控制場的偏振方向作為參考方向，即θ1=0。針對探測光振幅s2遠小于控制光振幅s1的情況，即s2<

式中：?、α0為2 個表達式；?*為?的共軛復數(shù)；s1*為控制光振幅的共軛復數(shù)。

從解的表達式中可知，當θ2=π/2 時，。在這種情況下，雖然控制場和探測場都輸入進腔光力系統(tǒng)，但是機械振子和腔場都處于x=和的穩(wěn)定狀態(tài)，即豎直模式?jīng)]有發(fā)生光學上下轉(zhuǎn)換過程。

2 矢量腔光力系統(tǒng)中光傳輸特性研究

2.1 探測光透射率

在光力誘導透明的參數(shù)配置中，腔光力系統(tǒng)由2 個激光場驅(qū)動，即振幅為s1和頻率為ω1的強控制場、振幅為s2和頻率為ω2的弱探測場。該文認為控制場和探測場都是線偏振場，控制(探測)場的偏振方向與豎直模式之間的夾角為θ1（θ2）。利用輸入輸出關系（α為光場模式的振幅）可以得到腔光力系統(tǒng)的輸出場，在線性化狀態(tài)下，輸出場包括頻率為ω1的斯托克斯場、頻率為控制場頻率ω1的頻率分量以及探測場頻率ω2的頻率分量（即頻率為ω2的反斯托克斯場）。從線性化解來看，由于因此斯托克斯場總是線性偏振的，而且斯托克斯場的偏振方向為豎直方向，說明斯托克斯場與控制場具有相同的偏振。該結(jié)果可以確定斯托克斯場在線性化狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換路徑，即斯托克斯場來自控制場的下轉(zhuǎn)換。

在控制場頻率處的輸出場強度為|s1|2|1+ηκ?|2，它與控制場和探測場的偏振沒有統(tǒng)計學意義。探測場頻率處的輸出場是非常有趣的，得到的輸出場如公式（10）所示。

式中：Φ1為豎直偏振光增加量，Φ1如公式（11）所示；Φ2為豎直偏振光減少量，Φ1如公式（12）所示。

式中：A為失諧量的多項式；B為探測場頻率的多項式。

一般情況下，探測場頻率處的輸出場是橢圓偏振的，而不是線偏振的。接下來，說明不同偏振探測場在功率為2 mW控制場下的透射，控制場的波長為532 nm，δθ=θ2-θ1，計算中涉及的參數(shù)如下：m=20 ng，G/2π=-12 GHz/nm，η=1/2，Γm/2π=41.0 kHz，κ/2π=15.0 MHz，Ωm/2π=51.8 MHz，Δ1=-Ωm。

探測場頻率處的輸出場分別為探測場的輸入場和控制場的上變頻。2 種不同偏振的光源疊加，形成橢圓偏振場。在傳統(tǒng)的腔光力系統(tǒng)中，控制場和探測場都具有相同的偏振，2 個光源的相干疊加導致存在光力誘導透明的現(xiàn)象。在矢量光力系統(tǒng)中，探測場的透射率Tp如公式（13）所示。

通過調(diào)整探測場的偏振，使探測場的透射率發(fā)生周期性變化。當δθ=0 時，發(fā)生傳統(tǒng)的光力誘導透明，而在正交情況下，光力系統(tǒng)陷入穩(wěn)態(tài)，光力誘導透明現(xiàn)象消失。如果探測場頻率下輸出場的2 個源路徑完全被偏振識別，那么相干現(xiàn)象（光力誘導透明）就會消失。

2.2 探測光的偏振對透射率的影響

當探測光和控制光的夾角改變時的透射率隨失諧量的變化如圖2 所示。由圖2（a）可知，透射率在Ω/Ωm=1.05處有1 個明顯的峰值，對應的透射率為1，而峰值取決于系統(tǒng)的耦合強度和探測光的功率。當驅(qū)動頻率低于Ω/Ωm=1.05或高于Ω/Ωm=1.05 時，透射率都會下降。在Ω/Ωm=0.92 處和Ω/Ωm=1.08 處有2 個明顯的谷值，對應的透射率分別為0.36和0.34。此外，透射率的變化也受系統(tǒng)的影響，導致峰值變得較寬并且峰的高度會有所降低。由圖2（b）可知，當控制光和探測光頻率相等時，透射率最高，約為0.5。當控制光的頻率偏離探測光的頻率時，透射率開始下降，并在探測光驅(qū)動頻率為Ω/Ωm=1.05、Ω/Ωm=0.94 處降至最低值，約為0.27。當控制光的強度越強時，光力系統(tǒng)的響應越靈敏，因此透射率會隨之提高。由圖2（c）可知，透射率的最大值也出現(xiàn)在頻率比例為Ω/Ωm=1.0處，峰值的透射率為0.14，且谷值和峰值較相近，圖像在Ω/Ωm=0.95～Ω/Ωm=1.04 比較平緩。但是在低頻率和高頻率區(qū)域，圖2（c）的峰值比圖2（a）的峰值和圖2（b）的峰值更高。另外，圖2（c）的峰值的峰值比圖2（a）的峰值和圖2（b）的峰值更窄，這也反映了不同的相位關系對系統(tǒng)的響應有很大的影響。由圖2（d）可知，當控制場和探測場的夾角為π/2 時，控制場和探測場無法發(fā)生干涉，光力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，光力誘導透明現(xiàn)象消失。圖像顯示沒有峰值，當Ω/Ωm=1.0 時，透射率為0，整個圖像也更窄、更陡。

圖2 透射率Tp 隨失諧量Ω/Ωm 的變化

2.3 快慢光現(xiàn)象

通過探究探測光的群延時來研究其在矢量腔光力系統(tǒng)中的群速度，探測場透射的群延時Tg如公式（14）所示。

式中：ωp為探測光頻率。

在矢量腔光力系統(tǒng)中的群延時如圖3 所示。由圖3 可知，當矢量腔光力系統(tǒng)中的群延時為正值時，可以觀測到探測場的慢光效應。當失諧量Ω/Ωm為0.985～0.997 時，群延時的值一直是1 條穩(wěn)定的直線，其值為2.20×10-8。當Ω/Ωm為0.997～0.999時群延時的數(shù)值逐漸增大，當失諧量Ω/Ωm為0.999 時，群延時達到最大值，其值2.78×10-8。當失諧量Ω/Ωm為0.999～1 時，群延時的數(shù)值發(fā)生驟降，從2.97×10-8降至-4.67×10-8，當失諧量值為0.999 7 時，群延時為0，隨著失諧量值逐漸增大，群延時將降為負值，其探測光會從慢光轉(zhuǎn)變?yōu)榭旃?。當失諧量為1.000～1.002 時，其對應的群延時快速增加，達到峰值，其值為2.97×10-8。當失諧量增至1.001 時，對應的群延時為0，隨著失諧量增大，群延時將由負值變?yōu)檎?，其探測光會再次從快光轉(zhuǎn)化為慢光。從失諧量為1.002 開始，對應的群延時將略微下降并逐漸穩(wěn)定，其值近似為直線。

圖3 當控制場功率為1 μW 時，群延時τg 隨失諧量Ω/Ωm 的變化（控制光與探測光的夾角為0°）

3 結(jié)語

綜上所述，該文研究了矢量腔光力系統(tǒng)中不同參數(shù)配置下的光力誘導透明和快慢光現(xiàn)象，并采用偏振光研究系統(tǒng)的光傳輸特性。由研究結(jié)果可知，可以通過調(diào)節(jié)控制光和探測光之間的偏振夾角來控制快光和慢光之間的轉(zhuǎn)變。該文的研究只考慮一階邊帶的情況，可以進一步研究控制光和探測光偏振特性對腔光力系統(tǒng)中二階邊帶和高階邊帶產(chǎn)生效應的影響，相關研究在光頻梳和精密測量領域有潛在的應用價值。