弱射频场中Rydberg原子的电磁感应透明

在铯原子室温蒸气池中研究了弱射频场中Rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2)、第一激发态6P_(3/2)和Rydberg 48D_(5/2)态形成阶梯型三能级系统,探测光共振作用于6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃迁,耦合光在Rydberg跃迁线6P_(3/2)(F′=5)→48D_(5/2)附近扫描,形成Rydberg原子EIT.当对铯原子施加一个80 MHz的弱射频电场时,48D_(5/2)Rydberg原子的EIT光谱发生Stark频移和分裂,同时产生由射频场调制Rydberg能级的偶数级边带,测量结果与Floquet理论模拟的结果相符合.同时,改变弱射频电场的频率研究了铯Rydberg能级的自电离效应对Rydberg原子Stark谱的影响,据此,我们提出将电极板置于铯原子蒸气池内的方案以减少自电离效应的影响.在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法.     

Rydberg原子的微波电磁感应透明-Autler-Townes光谱

主要研究了室温下微波场缀饰的铯Rydberg原子的电磁感应透明-Autler-Townes(EIT-AT)光谱.首先,以铯原子6S_(1/2)→6P_(3/2)→50S_(1/2)形成阶梯型三能级系统,利用强耦合光作用于6P_(3/2)→50S_(1/2)的Rydberg跃迁,弱探测光耦合基态跃迁6S_(1/2)→6P_(3/2)并探测由耦合光形成的电磁感应透明(EIT)效应.然后,以频率为30.582 GHz的微波电场耦合相邻的Rydberg能级50S_(1/2)→50P_(1/2)产生微波AT分裂.利用Rydberg EIT探测微波耦合相邻Rydberg能级产生的AT分裂,形成EIT-AT光谱,进而实现微波电场的测量.当微波场的强度增加到一定值时,EIT-AT光谱表现为多峰光谱结构.分析EIT-AT多峰光谱的成因,发现这主要是由场的不均匀性导致的,一定的EIT-AT光谱特征对应于特定的非均匀场分布.研究表明,利用Rydberg EIT-AT光谱可以实现微波电场的测量,利用其光谱特征可实现微波场的实时监测,进而提出了一种提高微波场空间分辨率的测量方法.     

调制激光场中Rydberg原子的电磁感应透明

本文主要研究了调制探测激光场中铯Rydberg 原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT) 效应. 铯原子基态6S_1/2, 第一激发态6P_3/2 和Rydberg 态形成阶梯型三能级系统, 探测光作用于6S_1/2 (F = 4)→6P_3/2(F' = 5) 的跃迁, 耦合光在Rydberg 跃迁线6P_3/2→49S_1/2 附近扫描, 形成Rydberg 原子EIT. 当对探测光频率施加一个几kHz 的调制时, 调制解调后的EIT 信号分裂为两个峰, 双峰间距与调制频率无关,而与调制幅度导致的失谐量大小(频率调制幅度) 成正比, 双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的λ_p/λ_c = 1.67 倍. 实验结果与理论计算相一致. 本文的研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测.     

铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量

基于成熟的光纤激光器、光纤放大器及高效激光频率转换技术,我们在实验中研制了一套瓦级输出的窄线宽连续波单频可调谐318.6 nm紫外激光系统,并在室温铯原子气室中实现了6S_(1/2)—nP_(3/2)(n=70—94)单光子跃迁里德伯激发.借助由铯原子6S_(1/2)(F=4)基态、6P_(3/2)(F′=5)激发态和nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态构成的V型三能级系统,通过频率锁定于铯原子6S_(1/2)(F=4)—6P_(3/2)(F′=5)超精细跃迁的852.3 nm探测光束的吸收减弱信号获得了里德伯态的信息,并利用高精度波长计测量了铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的量子亏损值.经过与理论计算值的变化趋势进行对比,我们认为由于原子气室的里德伯屏蔽效应并不能完全屏蔽外部直流电场,铯原子气室内存在残余的直流电场,影响了对里德伯态的量子亏损值的实验测量.利用残余直流电场的Stark效应理论模型及其与有效主量子数n*的依赖关系,对铯原子里德伯态的量子亏损实验测量值进行了修正.修正后的铯原子nP_(3/2)(n=70—94)态量子亏损测量值为3.5591±0.0007,与理论计算值相吻合.     

Rydberg原子nS1/2→(n+1)S1/2双光子激发EIT-AT光谱

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS_1/2→(n+1)S_1/2微波耦合的双光子光谱.铯原子基态(6S_1/2)、第一激发态(6P_3/2)、Rydberg态(69S_1/2)形成阶梯型三能级系统,弱探测光作用于基态到激发态6S_1/2→6P_3/2的跃迁,强耦合光则作用于6P_3/2→69S_1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测.频率fMW=11.735 GHz的微波场耦合69S_1/2→70S_1/2的Rydberg跃迁,形成微波双光子光谱.利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响.研究表明:在强微波场作用时,EIT-AT分裂与微波场功率成正比,而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系,理论计算与实验测量结果相一致.本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.     

Rydberg原子nS1/2→(n+1)S1/2双光子激发EIT-AT光谱

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS_1/2→(n+1)S_1/2微波耦合的双光子光谱.铯原子基态(6S_1/2)、第一激发态(6P_3/2)、Rydberg态(69S_1/2)形成阶梯型三能级系统,弱探测光作用于基态到激发态6S_1/2→6P_3/2的跃迁,强耦合光则作用于6P_3/2→69S_1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测.频率fMW=11.735 GHz的微波场耦合69S_1/2→70S_1/2的Rydberg跃迁,形成微波双光子光谱.利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响.研究表明:在强微波场作用时,EIT-AT分裂与微波场功率成正比,而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系,理论计算与实验测量结果相一致.本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.     

铯蒸气池内微波场空间分布的高分辨测量

本文通过测量铯原子的电磁感应透明光谱在微波电场作用下的Autler-Townes分裂间隔,获得了铯蒸气池中高分辨率的毫米波微波电场强度空间分布特征。文中使用32.65GHz的微波场共振耦合铯里德堡原子49S_(1/2)态和邻近的49P_(1/2)态,得到铯原子6S_(1/2)-6P_(3/2)-49S_(1/2)阶梯型三能级电磁诱导透明光谱分裂信号。我们测量了射频信号发生器输出功率P_(MW)与Autler-Townes分裂宽度的关系,实验结果表明分裂宽度与电场强度(∝P_(MW)~(1/2))有良好的线性关系。根据此线性关系我们对铯蒸气池一维方向的电场强度空间分布进行了测量,理论上获得的空间分辨率达到λ_(MW)/90。     

利用铷原子双光子跃迁产生420nm蓝光的实验研究

本实验通过饱和吸收方法获得了铷原子5S_(1/2)→5 P_(3/2)单光子跃迁光谱,并进一步研究了铷原子5S_(1/2)→5 P_(3/2)→5 D_(5/2)的双光子跃迁光谱。使用780nm的控制光和776nm的信号光反向共线作用到铷泡中,通过探测6 P_(3/2)→5S_(1/2)自发辐射产生的420nm蓝光信号得到铷原子5S_(1/2)→5 P_(3/2)→5 D_(5/2)双光子跃迁光谱,利用法布里-珀罗干涉仪测量了~(87)Rb和~(85)Rb的5 D_(5/2)激发态超精细能级,详细研究了铷泡温度和776nm信号光功率对~(87)Rb 5S_(1/2)(F=2)→5 D_(5/2)双光子跃迁光谱的影响。该研究工作为基于原子分子精密光谱测量提供了实验基础。     

铯原子磁光阱中冷原子的缀饰态光谱

在磁光阱中的铯原子由于冷却光的存在将被缀饰化。借助于波长为852.3 nm(对应于铯原子6S1/2F=4→6P3/2F′=3和6S1/2F=4→6P3/2F′=4超精细跃迁)和794.6 nm(对应于铯原子6P3/2F′=5→8S1/2F″=4超精细跃迁)的探测光的透射光谱分别对磁光阱中冷原子基态6S1/2F=4和激发态6P3/2F′=5在冷却光作用下形成的缀饰态分裂进行了实验研究,并分析了其光谱特性。结果表明,在冷却光强度、失谐量相同的实验条件下,基态、激发态的缀饰分裂间距相同,与缀饰态理论预言一致。     

基于Rydberg原子EIT光谱的激光频率锁定

本文利用Rydberg阶梯型三能级系统的电磁诱导透明光谱实现了509nm倍频激光器的无调制频率锁定。我们在实验中使用852nm激光和509nm激光在铯原子蒸汽池中构成阶梯型三能级体系,852nm激光器的频率锁定在铯原子6S1/2→6 P3/2共振跃迁线上,509nm激光在铯原子激发态6 P3/2→62 D5/2Rydberg态的跃迁频率附近扫描获得了Rydberg态的电磁诱导透明光谱。利用852nm半导体激光器的频率调制作为参考信号,对探测的电磁诱导透明光谱信号进行解调得到误差信号,实现了509nm激光器的频率锁定。通过分析误差信号的频谱,对伺服电路的低频和高频反馈参数进行优化,获得的最佳锁定线宽约为533kHz,最小阿伦方差达到1.5×10-11。     

49S里德堡态的射频双光子光谱

在室温铯原子蒸气池中, 由铯原子基态、激发态和里德堡态构建了阶梯型三能级系统, 研究了里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT). 在实现电磁感应透明的基础上, 利用16.9 GHz的射频电场耦合相邻的原子里德堡态, 实现49S_1/2→47D_3/2的双光子跃迁, 测量了里德堡原子的射频双光子光谱, 观察到了电磁感应透明光谱的分裂, 进一步研究了电场强度对射频双光子光谱的影响. 利用里德堡原子的EIT效应可实现对射频电场幅值和极化的精密测量, 具有潜在的应用前景.     

铯原子里德伯态精细结构测量

里德伯态光谱是测量里德伯态能级结构和中性原子间相互作用的常用技术手段,特别是高精度的里德伯光谱,可以测量室温原子气室中由偶极相互作用等导致的原子能级频移.在实验中利用反向的852 nm激光和509 nm激光实现了室温原子气室中铯原子6S_(1/2)—6P_(3/2)—57S(D)跃迁的级联双光子激发,实现了里德伯态原子的制备.基于阶梯型电磁诱导透明获得了铯原子里德伯态的高分辨光谱.实验中,基于速度选择的射频边带调制技术,对光谱信号进行了频率标定,测量了铯原子里德伯态57D_(3/2)和57D_(5/2)的精细分裂,分裂间隔为(354.7±2.5)MHz,与理论计算结果基本一致.速度选择的射频调制光谱可以实现里德伯态原子的能级分裂测量,其测量精度对于单光子跃迁的绝对激光频率不敏感;实验中影响57D_(3/2)和57D_(5/2)精细分裂间隔测量精度的主要因素是功率加宽导致的电磁感应透明信号的展宽和509 nm激光频率扫描的非线性.     

Laser frequency locking based on Rydberg electromagnetically induced transparency

We present a laser frequency locking to Rydberg transition with electromagnetically induced transparency(EIT)spectra in a room-temperature cesium vapor cell. Cesium levels 6S_(1/2), 6P_(3/2), and the n D_(5/2) state, compose a cascade three-level system, where a coupling laser drives Rydberg transition, and probe laser detects the EIT signal. The error signal, obtained by demodulating the EIT signal, is used to lock the coupling laser frequency to Rydberg transition. The laser frequency fluctuation, ~0.7 MHz, is obtained after locking on, with the minimum Allan variance to be 8.9 × 10~(-11).This kind of locking method can be used to stabilize the laser frequency to the excited transition.     

Rydberg原子的电磁诱导透明光谱的噪声转移特性

基于马赫-曾德尔干涉仪和平衡零拍探测技术研究了Cs原子6S_1/2↔6P_3/2↔62D_5/2Rydberg态阶梯型三能级系统电磁诱导透明效应中耦合光场的噪声向探测光场相位噪声的转移特性.实验中探测光频率锁定在Cs原子6S_1/2↔6P_3/2态共振跃迁线上,通过扫描6P_3/2到62D_5/2态跃迁的耦合光频率,测量了Rydberg态电磁诱导透明光谱.利用探测光经过声光调制器后的一级衍射光实现了马赫-曾德尔干涉仪的相位锁定,测量了不同锁定相位情况下的电磁诱导透明光谱,实验结果与阶梯型三能级系统的理论计算结果符合得很好.在此基础上详细研究了耦合光频率共振在6P_3/2到62D_5/2态跃迁线上时,耦合光频率噪声向探测光相位噪声的转移特性,发现耦合光频率噪声转移效率在高频处显示出较明显的抑制.同时观察到耦合光在不同失谐情况时,随着耦合光功率的改变,探测光相位噪声的变化特征表现出明显差异.     

基于Rydberg原子的高灵敏微波探测与通信

利用Rydberg原子作为微波传感器实现了微弱场的测量与通信.在铯原子蒸气池中,相向传输的探测光(852 nm)和耦合光(510 nm)与铯原子相互作用形成阶梯型三能级电磁感应透明光谱,用于实现Rydberg原子的光学探测.频率约为2.19 GHz的强微波场作为本地场(E_L),共振耦合相邻的两个Rydberg能级|68D_5/2>和|69P_3/2>,与具有一定失谐δf的待测微弱信号场(E_s)同时作用于Rydberg原子.Rydberg原子作为微波混频器可直接读出两束微波的差频信号,实现待测信号场的高灵敏探测,对应的最小测量值为E₀=1.7μV/cm,频率分辨率小于1 Hz.在此基础上,对微弱信号场进行编码,实验上很好地还原了加载到微波弱场上的基带信号,测量的传输带宽达200 MHz,实现了微弱场条件下的通信.