基于拉盖尔-高斯旋振腔的冷却系统及动态耗散冷却方法技术方案

本发明专利技术公开了基于拉盖尔

【技术实现步骤摘要】
基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统及动态耗散冷却方法


[0001]本专利技术涉及腔光力学
，具体是指基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统及动态耗散冷却方法。

技术介绍

[0002]腔光力学是物理学的一个重要分支，研究光与机械运动之间可控辐射压力的相互作用。常见的光学腔有法布里
‑
珀罗腔、回音壁模式光学微腔等，它们是通过光力耦合的，拉盖尔
‑
高斯旋振腔是一种比较新颖的光学微腔，它是利用角动量与辐射场的交换来量子化经典扭转振子的旋转模式，结合使用光的线性动量，导致了同时量子化振动和旋转模式的振荡器使用相同的辐射场。
[0003]腔光力系统的实质是将光子以及声子联系起来，并在适当的参数范围内可以实现声子态和光子态的相互转换。在腔光力学领域内，通过探索光和机械运动之间的相互作用，可以在量子信息处理、量子通信、高精度测量等领域有许多潜在的应用，而实现这些的先决条件是将机械振子冷却到基态。现有的腔光力系统在使用过程中由于会产生交换加热和环境加热，造成系统使用的环境温度上升，降低系统的精度和使用效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统及动态耗散冷却方法，在实现其基态冷却的前提下，提出了动态耗散冷却方法，可以显著提高冷却速率和降低冷却极限，将机械振子冷却到量子基态，可以实现对量子的高精度测量，使得量子信息处理在量子技术方面有更加广泛的应用。
[0005]一种基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统，包括：自左向右依次为：固定输入耦合器、完全反射式移动后视镜、螺旋弹簧、机械振子；由强泵浦场和弱探测场驱动；
[0006]所述固定输入耦合器是刚性固定的，与完全反射式移动后视镜之间组成捕获原子束的光学谐振腔；
[0007]所述完全反射式移动后视镜与螺旋弹簧相连，工作时沿光学谐振腔轴振动和旋转；螺旋相位元件可反射或透射，用于改变激光束的角动量或“光电荷”，在高斯腔模式可以冷却反射镜的线性振动，实现与光场的光旋耦合；通过螺旋弹簧连接机械振子，充分影响反射镜的状态，增强基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统的反旋波项和能量交换的冷却过程，达到冷却的效果；所述螺旋弹簧提供使完全反射式移动后视镜沿z轴的振动恢复力以及与z轴方向相反的扭转。
[0008]进一步地，所述强泵浦场驱动强高斯光束，入射至固定输入耦合器，再由完全反射式移动后视镜接收；
[0009]所述弱探测场ε
p
作为探头检测系统的响应，作为ε
out
检测系统的输出域。
[0010]本专利技术化提供一种基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统的冷却方法，实现拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却首先完成完全反射式移动后视镜的基态冷却后实现动态耗散冷却，包括
以下步骤：
[0011]S1.带0电荷的拉盖尔
‑
高斯光束入射到固定输入耦合器(1)上，不考虑反射分量，驱动谐振腔动作；
[0012]S2.带0电荷的拉盖尔
‑
高斯光束经过固定输入耦合器(1)，到达完全反射式移动后视镜(2)后带电荷增加到+2l；
[0013]S3.带+2l电荷的拉盖尔
‑
高斯光束从完全反射式移动后视镜(2)反射回到固定输入耦合器(1)，穿过固定输入耦合器；
[0014]S4.带+2l电荷的拉盖尔
‑
高斯光束调节驱动场的强度，影响角动量交换的速率，使得完全反射式移动后视镜(2)发生角位移，从而使完全反射式移动后视镜(2)基态冷却完成；
[0015]S5.调节机械振子(4)的频率和拉盖尔
‑
高斯旋振腔腔场与机械振子(4)的耦合强度，充分影响完全反射式移动后视镜(2)的运动，增强完全反射式移动后视镜(2)的基态冷却效果；
[0016]S6.增加腔模耗散速率，使得拉盖尔
‑
高斯旋振腔中耗散冷却占据主导地位；
[0017]S7.周期性地调制腔模耗散速率，连续不断地抑制拉盖尔
‑
高斯旋振腔交换加热，将平均声子数降低到稳态极限以下，实现拉盖尔
‑
高斯旋振腔的动态耗散冷却。
[0018]进一步地，所述步骤S4中，在拉盖尔
‑
高斯旋振腔场中，轨道角动量的转移增大到足以对宏观物体产生显著的影响，并可以显著地冷却他们的旋转运动。
[0019]进一步地，所述步骤S5中，增加腔模耗散速率的详细方法为：利用一种腔模耗散的资源，在拉盖尔
‑
高斯旋振腔的类拉比振荡进行了半个周期以后，迅速增加腔模耗散速率κ，使得拉盖尔
‑
高斯旋振腔从|n,m>能级跃迁到|n+1,m
‑
1>，使得可逆的类拉比振荡过程中断，从而抑制加热效应。能级跃迁即为电子从某一能层(电子层/电子亚层)跃迁到另一能层。其间，电子完成基态、激发态之间的转变。低能级向高能级跃迁是吸收能量，此时拉盖尔
‑
高斯旋振腔的发热降低。
[0020]进一步地，所述步骤S6中，周期性地调制腔模耗散速率需要在每次周期性的加入强耗散后，拉盖尔
‑
高斯旋振腔周期性的初始化，使得声子数保持在瞬态冷却极限。
[0021]进一步地，所述类拉比振荡是在边带可分辨的条件下，即完全反射式移动后视镜的振动频率大于腔模耗散速率时，由于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的交换加热和冷却在交替时产生，使得环境声子数的时间演化呈现出周期性的类拉比振荡。
[0022]进一步地，所述瞬态冷却极限充分抑制了交换加热和环境加热，对比稳态冷却极限降低有2个数量级的冷却极限温度降低。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]本专利技术提供一种基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统及动态耗散冷却方法，将拉盖尔
‑
高斯旋振腔内的完全反射式移动后视镜与螺旋弹簧连接后，沿光学谐振腔轴振动和旋转，充分影响腔内角动量的交换，达到基态冷却，在机械振子和完全反射式移动后视镜实现基态冷却的基础上，通过动态耗散调制的方法，利用腔模耗散这一有害的噪声项，达到冷却的效果，并显著地降低了稳态冷却极限，提高了稳态冷却速率，在量子信息处理、量子通信、高精度测量等领域有更多潜在的应用。
附图说明
[0025]图1为基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统结构图；
[0026]图2为基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统运行示意图；
[0027]图3为基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔冷却系统的冷却方法流程图；
[0028]其中：1、固定输入耦合器，2、完全反射式移动后视镜，3、螺旋弹簧，4、机械振子。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统，其特征在于：包括：自左向右依次为：固定输入耦合器(1)、完全反射式移动后视镜(2)、螺旋弹簧(3)、机械振子(4)；由强泵浦场和弱探测场驱动；所述固定输入耦合器(1)是刚性固定的，与完全反射式移动后视镜(2)之间组成捕获原子束的光学谐振腔；所述完全反射式移动后视镜(2)与螺旋弹簧(3)相连，工作时沿光学谐振腔轴振动和旋转；螺旋相位元件可反射或透射，用于改变激光束的角动量或“光电荷”，在高斯腔模式可以冷却反射镜的线性振动，实现与光场的光旋耦合；通过螺旋弹簧(3)连接机械振子(4)，充分影响反射镜的状态，增强基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统的反旋波项和能量交换的冷却过程，达到冷却的效果；所述螺旋弹簧(3)提供使完全反射式移动后视镜(2)沿z轴的振动恢复力以及与z轴方向相反的扭转。2.根据权利要求1所述的一种基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却系统，其特征在于：所述强泵浦场驱动强高斯光束，入射至固定输入耦合器(1)，再由完全反射式移动后视镜(2)接收；所述弱探测场ε
p
作为探头检测系统的响应，作为ε
out
检测系统的输出域。3.一种基于拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却方法，其特征在于：实现拉盖尔
‑
高斯旋振腔的冷却首先完成完全反射式移动后视镜的基态冷却后实现动态耗散冷却，包括以下步骤：S1.带0电荷的拉盖尔
‑
高斯光束入射到固定输入耦合器(1)上，不考虑反射分量，驱动谐振腔动作；S2.带0电荷的拉盖尔
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高斯光束经过固定输入耦合器(1)，到达完全反射式移动后视镜(2)后带电荷增加到+2l；S3.带+2l电荷的拉盖尔
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高斯光束从完全反射式移动后视镜(2)反射回到固定输入耦合器(1)，穿过固定输入耦合器；S4.带+2l电荷的拉盖尔
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高斯光束调节驱动场的强度，影响角动量交换的速率，使得完全反射式移动后视镜(2)发生角位移，从而使完全反射式移动后视镜(2)基态冷却完成；S5.调节机械振子(4)的频率和拉盖尔
...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖庆洪，郭富圳，肖敏，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：