Rabi模型一直是近年来研究的热点, 本文研究该模型在多光子跃迁下的量子相变及多稳态。通过自旋相干态变分法等效的赝自旋哈密顿量被对角化并解得了系统的能量泛函表达式, 同时根据变分结果求得光子数解的情形和临界值, 最后给出基于光子数解和系统稳定性相图。本文主要给出了单光子、两光子和多光子跃迁对Rabi模型量子态、多稳性和量子相变的影响。该结果有助于实验上通过调控腔频来诱导有趣的量子相变。

连续变量量子远程传态在构建连续变量量子计算以及量子信息网络中发挥着重要作用。在实际的通信过程中, 由于周围环境的干扰, 量子纠缠通常会和周围的环境发生相互作用, 从而导致纠缠度减弱, 进而影响量子信息的正确传送, 导致隐形传态保真度的降低。实用的通信系统, 不是简简单单地从一个点到另一个点, 而是一个复杂的网络。因此利用多组份的纠缠态光场建立复杂的量子网络是必需的。本文利用四组份GHZ纠缠态光场来构建量子隐形传态网络, 得出该网络系统下传送量子态的保真度公式, 并仿真出不同压缩参数下增益因子对保真度的影响关系曲线, 仿真结果表示: 每一个确定的压缩参数都有一个最大保真度值, 对于确定的压缩参数r, 保真度随着增益因子的增大呈现先增大后减小的趋势。压缩参数r越大, 量子态恢复的保真度越好。当增益因子取值不合适时, 即使压缩参数比较大, 其保真度也无法达到较高要求。

引力波的直接探测打开了宇宙观测的新窗口, 开启了引力波天文学的新时代。当前世界上运行的第二代地基引力波探测装置分别包括位于美国汉福德和利文斯顿的两台LIGO、位于意大利的Virgo和日本的KAGRA。然而, 第二代引力波探测器的应变灵敏度较低, 无法探测宇宙中绝大部分天文事件, 因此亟需建设第三代地基引力波探测装置。基于山西大学的低噪声激光光源和山西省的废弃矿井资源, 山西省政府已经立项, 支持建造第三代地基引力波探测装置“谛听计划”。本文通过计算迈克尔逊干涉仪、法布里- 珀罗- 迈克尔逊干涉仪、功率循环的法布里- 珀罗- 迈克尔逊干涉仪对引力波信号的频率响应, 并与美国激光干涉引力波天文台的LIGO探测器进行对比, 分别确定了“谛听计划”法布里- 珀罗腔和功率循环镜的反射系数。

高性能的超稳腔是实现高稳定度光钟的关键。振动噪声和温度波动噪声是影响超稳腔稳定度的主要因素。本文利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术实现了171Yb光钟钟激光与30cm可搬运超稳腔的锁定, 并对超稳腔的振动噪声、温度波动噪声以及超稳腔稳定度的评估进行了研究。通过对超稳腔施加主动振动激励的方式得到该腔在三个正交方向上的振动敏感度分别为5.6×10-10/g, 4.8×10-10/g, 1.5×10-10/g。通过测量腔谐振频率随腔体温度的变化, 拟合得到其零膨胀温度点为34.0(0.4)°C。最后通过与两套独立的30cm超稳腔的三角帽比对, 对该超腔的稳定度进行了评估, 采用去关联算法得到2s平均时间下的稳定度为4.1×10-16。噪声谱分析表明该稳定度主要受限于振动噪声。这些研究为我们进一步优化可搬运超稳钟激光的稳定度提供了方向。

本文基于一个含有光学参量放大器的腔光力系统, 其中腔场和机械场之间具有线性和二次色散耦合的相互作用, 研究了二次光力耦合与参量放大器对本征模劈裂的重要影响。通过分析腔场涨落项的输出谱和机械振子位移的涨落谱, 得出结论: 腔场和机械场均呈现出本征模劈裂的现象, 光学参量放大器非线性增益值的大小及二次光力耦合强度均正比于劈裂谱两峰之间的距离, 即二者对本征模劈裂效应具有相似的调控作用。本文同时也验证了文献[Journal of Modern Optics, 66(5): 494-501 (2019)]的结论: 具有线性和二次耦合的光力系统可以是含有光学参量放大器混合光力系统的一个替代研究平台。

本文将碰撞噪声模型引入到量子加扰和受损信息恢复协议中, 研究噪声引发的退相干作用对信息加扰和受损信息恢复的动力学过程的影响。结果表明噪声引发的退相干不仅会抑制信息加扰和恢复, 还会提前信息恢复的时间节点。不完美controlled-NOT(CNOT)门操作会抑制信息的扩散效应, 不完美Hadamard(H)门操作会对不完美CNOT门起到调制作用, 从而减轻不完美CNOT门对信息扩散的抑制。通常情况下在噪声影响下的不完美CNOT门操作和不完美H门操作都会抑制信息恢复。但在某些特定参数下, 两者的结合会比只施加不完美CNOT门产生更高的信息恢复率, 这种奇异现象可以用来研究噪声下的量子计算过程中的信息保护, 为实现高品质的量子计算过程提供新途径。

为了利用相同的资源传递更多的信息, 提出一种非对称可控密集编码方案, 非对称信道为5×2×2×2维的4粒子团簇态。方案有两个控制者, 一个控制者对粒子进行正交基测量, 通过控制测量角来控制信道的纠缠度; 另一个控制者进行投影测量, 作用是通过测量产生密集编码的量子信道, 同时也可以控制编码传输能否进行。信道产生后, 通过发送者的提纯、编码操作和接收者的测量操作, 实现可控密集编码。传输的平均信息量为4×(1+log25)α2。方案还将基于4粒子团簇态的可控非对称编码扩展到N×2×2×2维非对称信道, 证明了非对称编码具有很强的扩展性。研究发现, 非对称编码的信息量随信道非对称程度的提高而增大。

为了深入研究波导光栅中电磁波的传输特性, 本文以布拉格光栅为例, 从光场的波动方程出发得到了光栅的耦合模方程, 进而通过求解耦合模方程得到表征光栅特性的2×2矩阵。针对均匀布拉格光栅和取样光栅, 采用MATLAB数值模拟方法研究了各个参数对其反射谱和透射谱的影响。结果表明, 光栅长度、有效折射率以及耦合强度会影响均匀布拉格光栅反射谱和透射谱的峰值、位置和宽高, 光栅段长度、空白段长度以及周期数目会导致取样光栅反射谱的反射峰间隔增减和各级峰值的变化。相关仿真分析可以为光纤光栅传感、分布式布拉格反馈(DBR)激光器、光栅滤波器等设计应用提供理论支撑。

为达到近中红外与激光兼容隐身的双重目的, 设计了一种由Ag和ZnS构建的含缺陷的分布式Bragg反射镜(Distributed Bragg reflector, DBR)。利用掺杂原理, 在含金属的DBR中引入缺陷, 使其在650～5?000nm禁带范围内1 060 nm处出现缺陷模。采用COMSOL研究了周期数Nc、缺陷层膜厚对近中红外及缺陷模的影响规律。研究结果表明: 缺陷模随缺陷层膜厚减少而蓝移。随含缺陷周期结构Nc增加, 缺陷模宽度变窄, 其缺陷模以中心波长为中心成对出现, 呈现出良好反射型梳状滤波器的特征。通过控制Nc, 可对梳状滤波器的齿数和齿距进行有效控制。当Nc=1时, 可实现650～5?000nm波段全反射, 1 060 nm处出现缺陷模, 其反射率仅为4%。这种具备“光谱挖空”特征的含金属的DBR, 能够进行近中红外波段和1 060 nm处的激光兼容隐身。和异质结电介质光子晶体相比, 该结构具有结构对称、结构简单、膜层层数较少的优势。

在光学俘获和操控单原子的实验中, 激光的低频强度噪声通常会加热原子, 从而缩短其存储时间并破坏其内态相干性。我们采用了一种基于电光振幅调制器(EOAM)的单级反馈环路来抑制激光低频噪声, 实现了0～1MHz的强度噪声的有效抑制, 100 kHz以下的噪声可降低20 dB, 500 kHz以下的噪声可降低10 dB。噪声抑制的频率范围涵盖了光学偶极阱的典型参量加热频率。将该装置用于单个铯原子实验将单个原子在偶极阱中的存储时间延长两个数量级, 测量的退相干时间也增加了5倍。

利用维格那分布函数, 推导部分相干Lommel -高斯光束通过海洋湍流的有效曲率半径和传输因子的表达式, 并分析光束的有效曲率半径和传输因子的传输性质。结果表明, 部分相干Lommel -高斯光束在海洋湍流的传输性质和部分相干贝塞尔 -高斯光束相同, 但是部分相干Lommel -高斯光束连续的轨道角动量分布特点使得其相较于后者更有优势。数值分析海洋湍流参数, 包括盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率以及湍流动能耗散率对部分相干Lommel -高斯光束的有效曲率半径和传输因子的传输的影响。该研究工作可为激光水下通信和激光**等实际应用提供理论基础和实验依据。

提出了一种金纳米十字双层等离子体结构阵列(BPNA), 采用有限时域差分法(FDTD), 计算了金纳米十字孔阵列、金纳米十字薄片阵列、二氧化硅阵列对结构透射性能的影响。计算得出的透射光谱中, 三者均对局域表面等离子激元(LSP)产生了影响, 产生的LSP共振峰强度和位置取决于十字孔的宽度、长度以及厚度和十字薄片的宽度、长度以及厚度, 通过增加介质层厚度分析出两个LSP共振峰的产生原因主要取决于十字孔缝产生的LSP或十字薄片产生的LSP, 而替换二氧化硅选用理想介质同样对LSP共振峰产生影响。对等离子体结构进行参数调节可以改变其透射性能, 调节后的半峰宽度(FWHM)高达0.72m, 透射强度高达0.96, 可以用来实现天线的高性能传输, 还获得了较高的灵敏度(FOM)值为17.22m/RIU, 对实现高性能的LSP传感器和光学器件有一定借鉴意义。

低噪声的全固态单频Nd:YVO4激光器在量子精密测量和引力波探测中有重要的应用。激光器的弛豫振荡是影响激光器噪声水平的主要因素, 优化激光器的泵浦、输出耦合透射率和内腔损耗等参数, 只能微小改善激光器的强度噪声, 调整或改变激光器的弛豫振荡状态才是有效降噪方式。光电负反馈技术, 通过对噪声传递函数的增益和相位的改变有效抑制了弛豫振荡; 注入锁定技术, 通过低噪声注入场的影响来改变弛豫振荡状态, 从而有效抑制弛豫振荡噪声。利用光电负反馈和注入锁定两种技术相结合, 在反馈光束分束ε=10%、反馈回路直流增益g=15textdB、相位超前φ=60°、注入锁定功率放大因子H=20时, 可使声频区的激光器强度噪声降低5dB、弛豫振荡峰值噪声降低39dB。