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.     

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.     

量子统计权重对原子场电离效率的影响

原子能级的量子统计权重(G)是原子的重要光谱参数,但在研究原子的电离过程中通常却为了简化问题而被忽略.本文在锂原子的三步光激发(PE)+电场电离(EFI)过程中计入了其影响,并发现其对原子EFI效率的影响显著.本文精心设计了一套锂原子的PE+EFI方案:首先,采用三台不同波长的脉冲激光器分三步将原子从基态激发到某一Rydberg态上,经过一段时间延迟后再施加脉冲电场将其电离.针对原子所经历的PE、零场和EFI这三个物理过程,本文对其物理机制进行了分析并建立了服从粒子数守恒的物理模型进而导出了显含G参数的普适的速率方程组.其次,通过Matlab编程,分别针对精心选定的两条激发路径2S_(1/2)→2P_(1/2)→3S_(1/2)→25P_(1/2,3/2)和2S_(1/2)→2P_(3/2)→3D_(5/2)→25F_(5/2,7/2)开展了数值计算.研究发现:PE+EFI过程的总体效率的上限既与激光参数无关,也不依赖于G参数的绝对值,而是决定于Rydberg态的G参数的分支比.总之,通过精选激发路径可以调控PE过程各相关态的布居率,并能适当提高PE+EFI过程的总电离效率,但却因受到Rydberg态布居率的限制而很难进一步提高.     

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.     

Hg~+离子5d~(10)6s ~2S_(1/2)→5d~96s~2 ~2D_(5/2)钟跃迁同位素位移和超精细结构的理论研究

本文首先在Dirac-Hartree-Fock近似下理论评估了Hg~+离子5d~(10)6s ~2S_(1/2)→5d~96s~2 ~2D_(5/2)钟跃迁的质量位移(mass shift, MS)和场位移(field shift, FS)在其同位素位移(isotope shift, IS)中的相对贡献,发现MS远小于FS而可以被忽略.在此基础上,通过系统地考虑该原子体系中主要的电子关联效应,计算了这条钟跃迁FS的精确值以及涉及到的上下两个能级的超精细结构常数,并得到了几种稳定汞同位素离子该跃迁的IS和超精细结构分裂.其中,计算的~(199)Hg~+和~(198)Hg~+离子之间的钟跃迁频率偏移与已有实验测量值相比误差为2%左右.最终,本文给出了汞离子7种常见同位素该谱线的绝对频率值,为实验上的谱线测量提供了有效的理论依据.     

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.     

Eu原子4f~76snlRydberg态的研究

利用三步双色共振激发技术和三步三色孤立实激发技术,系统地研究了铕原子在42250—44510 cm~(-1)能域内的光谱特性,提供了该能域内56个束缚高激发态的光谱信息.为了能确定这些态的光谱归属,进行了两方面的探索:第一,观察能否利用孤立实激发技术,把处于这些态上的铕原子进一步共振激发到自电离态,从而推断这些态属于单电子激发的束缚Rydberg态还是属于双电子激发的价态,并对Rydberg态的电子组态进行了光谱确认;第二,通过计算这些态相对于各个电离阈的量子亏损并观察它们分别收敛于哪个电离阈,以便获取其主量子数的信息.最后,设计并采用了三种不同的激发路径,分别将原子布居到同一高激发能域并探测它们在该能域的光电离光谱.通过比较这些光谱的异同并结合上述激发路径所对应的跃迁选择定则,便可惟一地确定这些高激发态的总角动量.研究发现:所探测到的高激发束缚态只有三个属于单电子激发的束缚Rydberg态,其余都是价态.本文确定了这三个Rydberg态的电子组态和原子状态.     

超冷铯Rydberg原子的Autler-Townes分裂

主要研究超冷铯Rydberg原子阶梯型三能级系统的Autler-Townes(A-T)分裂.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,强耦合光共振作用于6P_(3/2)(F′=5)→34D_(5/2)的跃迁,探测光由偏振光谱锁定在6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃迁,并由双通的声光调制器在其共振跃迁附近扫描,形成的Rydberg原子A-T分裂谱由单光子计数器探测.A-T光谱的双峰间距与耦合光的拉比频率成正比,实验结果与理论计算在耦合光拉比频率Ω_c2π×9 MHz时符合得很好,在拉比频率Ω_c2π×9 MHz时,测量的A-T分裂比理论计算值小13%.产生偏差的主要原因是由于较大的耦合光拉比频率Ω_c增加了激发的Rydberg原子数,Rydberg原子间的相互作用产生了较大的退相干率所致.     

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.     

用同步辐射研究掺Tb3+氟化物K2GdF5的光谱和Gd3+-Tb3+能量传递

对比了不同激发波长下水热法合成的K2GdF5:Tb3+(摩尔分数0.5％)单晶材料的光致发光谱线;监测了5 D3→7F6和5 D4→7 F5的激发谱,给出了几组窄带吸收和3个宽带吸收;分析表明窄带发射为Gd3+的8 S7/2→6FJ、8S7/2→6GJ、8S7/2→6DJ、8S7/2→6IJ的跃迁,宽带发射为Gd3+的...     

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.     

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.     

基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器

Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01-1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.     

一价镧离子高n里德伯态

基于五步激光共振激发,经由中间态(Xe) 5d6d~3F_2的一价镧离子光谱,分析了该实验谱,确定了一价镧离子一强一弱两个自电离里德伯系列.同时利用多通道量子亏损理论(MQDT)框架下的相对论多通道理论(RMCT)计算,标识了这两个自电离里德伯系列,强的自电离里德伯系列标识为5dnp(5/2,1/2)_3和/或5dnp(5/2,1/2)_2,弱系列标识为为5dnf(5/2,5/2)_3和/或5dnf(5/2,5/2)_2.根据实验谱峰数据,发现有效量子数很高时,里德伯和自电离里德伯能级量子数亏损随激发能量不平滑变化,并分析了可能的原因.     

重离子冷却储存环CSRm双电子复合实验研究类锂36,40Ar15+离子同位素移动

配备电子冷却装置的重离子储存环为开展高电荷态离子的双电子复合（dielectronic recombination,DR）精密谱学研究提供了绝佳的实验平台。本工作在兰州重离子加速器冷却储存环主环（HIRFL-CSRm）上开展了类锂36,40Ar15+离子的双电子复合实验,实验观测了电子-离子质心系能量范围为0~35 eV的双电子复合速率系数谱。通过外推法获得了36,40Ar15+离子2s_1/2→2p_1/2和2s_1/2→2p_3/2的跃迁能量。同时利用GRASP2K程序理论计算了36,40Ar15+离子2s_1/2→2p_1/2和2s_1/2→2p_3/2跃迁的质量移动因子和场移动因子,进而得到双电子复合谱的同位素移动值。36,40Ar15+离子2s_1/2→2p_1/2和2s_1/2→2p_3/2同位素移动分别为0.861 meV和0.868 meV。它们均小于目前CSRm上双电子复合实验的实验分辨为~10 meV,进而解释了实验测量的DR谱上未能观察到同位素移动的原因。然而,高电荷态离子的同位素移动场效应与原子序数Z5成正比,因此,在重离子加速器冷却储存环实验环（HIRFL-CSRe）以及未来大型加速器--强流重离子加速器装置（HIAF）上有望通过DR精密谱学方法研究高电荷态重离子甚至放射性离子的同位素移动,进而获得相关原子核的核电荷半径等信息。The cooler storage ring is equipped with an electron-cooler. It is an excellent experimental platform for dielectronic recombination (DR) experiment of highly-charged ions. In this paper, the dielectronic recombination experiments of lithium-like Ar15+ ions with mass number 36 and 40 are conducted at the HIRFL-CSRm(main ring of the Cooling Storage Ring of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou). The experimental electron-ion collision energy scale is from 0 eV to 35 eV. Extrapolation method is exploited to obtain the excitation energies of transitions 2s_1/2→2p_1/2 and 2s_1/2→2p_3/2 of the 36,40Ar15+ ions from experimental data. Meanwhile, GRASP2K program is utilized to calculate the mass shift factors and field shift factors of 36,40Ar15+ ions for 2s_1/2→2p_1/2 and 2s_1/2→2p_3/2 transitions to obtain isotope shifts in DR spectra. In theoretical calculation, isotope shifts of 36,40Ar15+ ions corresponding to 2s_1/2→2p_1/2 and 2s_1/2→2p_3/2 are 0.861 meV and 0.868 meV, respectively. They are both less than the experimental precision (~10 meV) of these dielectronic recombination experiments at the CSRm, which explains that isotope shifts cannot be distinguished from the experimental dielectronic recombination spectra. However, the field shift of highly-charged ions is proportional to Z5. In the future, the dielectronic recombination experiments of highly-charged heavy ions even radioactive ions will be conducted at the HIRFL-CSRe (experimental ring of the Cooling Storage Ring of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou) and the future large accelerator facility--HIAF(High intensity Heavy-ion Accelerator Facility) to measure isotope shifts to obtain the nuclear charge radius information.     

The fine structure splitting of the level of lithium in Rydberg states

The Hamiltonian of the four-body problem for a lithium atom is expanded in series. The level shift and level formula of a lithium atom in Rydberg states are achieved by means of the calculation of polarization of the atomic core (including the contribution of dipole, quadrupole and octupole components). We also consider the effect of relativity theory, the orbital angular momentum L and the spin angular momentum S coupling scheme (LS coupling) and high-order correction of the effective potential to the level shift. The fine structure splitting (N=5-12, L=4-9, J=L±1/2) and level intervals in Rydberg states have been calculated by the above-mentioned formula and compared with recent experimental data.     

Ionization Potentials and Quantum Defects of 1s2np2P Rydberg States of Lithium Atom

In this work, ionization potentials and quantum effects of 1s²np²P Rydberg states of lithium are calculated based on the calibrated quantum defect function. Energy levels and quantum defects for 1s²np²P bound states and their adjacent continuum states are calculated with the R-matrix theory, and then the quantum defect function of the 1s²np (n≥7) channel is obtained, which varies smoothly with the energy based on the quantum defect theory. The accurate quantum defect of the 1s²7p²P state derived from the experimental data is used to calibrate the original quantum defect function. The new function is used to calculate ionization potentials and quantum effects of 1s²np²P (n≥7) Rydberg states. Present calculations are in agreement with recent experimental data in whole.     

An optimized ion trap geometry to measure quadrupole shifts of ~(171)Yb~+ clocks

We propose a new ion-trap geometry to carry out accurate measurements of the quadrupole shifts in the ~(171)Yb ion.This trap will minimize the quadrupole shift due to the harmonic component of the confining potential by an order of magnitude.This will be useful to reduce the uncertainties in the clock frequency measurements of the 6s ~2S_(1/2)→4f~(13)6s~2 ~2F_(7/2)and 6s ~2S_(1/2)→5d~2D_(3/2) transitions,from which we can deduce the precise values of the quadrupole moments(0s) of the 4f~(13)6s~2 ~2F_(7/2) and 5d~2D_(3/2) states.Moreover,it may be able to affirm the validity of the measured 0 value of the4f~(13)6s~2~2F_(7/2) state,for which three independent theoretical studies defer almost by one order of magnitude from the measurement.We also calculate 0s using the relativistic coupled-cluster(RCC) method.We use these 0 values to estimate the quadrupole shift that can be measured in our proposed ion trap experiment.     

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.