铯原子D2线调制转移光谱及其在激光器锁频中的应用

在铯原子气室磁光阱(VC-MOT)及超高真空磁光阱(UHV-MOT)实验中,需要将冷却和俘获激光负失谐锁定于铯原子D2线的62S1/2F=4→62P3/2F′=5超精细跃迁线处.     

封闭和开放铯原子系统中的EIA效应

本文主要从实验上研究了封闭的简并二能级铯原子系统中的电磁感应吸收效应(EIA)。当泵浦和探测光作用于铯原子的6S1/2 F=4 à 6P3/2F′=5跃迁时，获得了EIA信号，同时研究了泵浦光的频率失谐和强度对EIA信号的影响。在6S1/2 F=4 à 6P3/2 F′=4和6S1/2 F=4 à 6P3/2 F′=3两个开放的二能级系统中也观察到了EIA信号。在6S1/2 F=3 à 6P3/2 F′=4的跃迁上增加一个repumping 激光,将使EIA信号增加。     

采用偏振光谱对外腔半导体激光器稳频时反馈环路带宽的影响

在采用磁光阱实现单个铯原子俘获的实验中, 运用无调制偏振光谱方法将光栅外腔半导体激光器(提供冷却/俘获光)的频率锁定在铯原子6S1/2 F=4→6P3/2 F′=5的超精细跃迁线上.采用偏振光谱技术得到的类色散曲线作为鉴频信号, 并同时对光栅外腔半导体激光器的电流调制端口和光栅外腔的压电陶瓷电压调制端口进行反馈, 以拓展反馈环路的带宽, 实现激光器的频率锁定.与通常的饱和吸收光谱稳频技术相比, 激光频率锁定之后的频率稳定度得到了明显改善.在取样时间τ=300 s时, 阿仑方差σy(τ)=4.6×10-12.     

铯原子气室中相干布居俘获的参数依赖关系研究

基于铯原子基态6S_1/2的两个超精细能级（F=3与F=4）与激发态6P_3/2的超精细能级（F′=4）构成的Λ型三能级系统,采用室温下的未充缓冲气体和充有分压为266.6 Pa的氖气作为缓冲气体的铯原子气室对于相干布居俘获（CPT）的参数依赖关系进行了实验研究和理论分析.主要研究了CPT信号的半高全宽和幅度对于频率差为铯原子基态6S_1/2的超精细分裂（9.19263177 GHz）且位相锁定的两激光束的功率、光强比值、光斑直径、磁屏蔽之后的剩余磁场以及是否充缓冲气体等实验参数的依赖关系.在优化的实验参数条件下获得了约340 Hz的CPT信号半高全宽.     

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.     

一种测量磁光阱中冷原子密度和温度的新方法

报道了对磁光阱中冷铯原子吸收谱的实验观察,由于冷原子的多普勒增宽远小于激光发态超精细分裂,实验观察到三个孤立的吸收峰（Cs,6S1/2,F=4→6P3／2,F＝3,4,5,）其吸收系数比为3：7：12,这与相应跃迁振子强度一致。利用吸收信号测量了冷原子云的密度.结果与荧光探测法在10％的精度内符合;用吸收信号测量了冷原子的温度,测量结果与用荧光飞行时间法和释放捕捉法的结果吻合。     

铯原子气室中D2线泵浦探测光谱的实验观测

在铯原子气室中采用偏振方向相互垂直且同向传播的线偏泵浦光和探测光，研究了铯原子D2线的泵浦探测光谱。由于在6 S1/2 F=3 – 6 P3/2 F’=2 超精细跃迁中存在多个L型塞曼子能级结构，从而产生了电磁诱导透明导致的吸收减弱；而在6 S1/2 F=4 – 6 P3/2 F’=5 超精细跃迁中则观测到了电磁诱导吸收。通过改变泵浦光的失谐量，在电磁诱导透明形成的吸收减弱凹陷和电磁诱导吸收产生的吸收增强峰内部均观察到了反常的吸收信号反转。     

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.     

铯原子激发态双色偏振光谱

基于铯原子阶梯型6S1/2-6P3/2-8S1/2 (852.3 nm+794.6 nm)能级系统,一束波长为852.3 nm的圆偏振光作为抽运光,将室温下气室中的铯原子由基态6S1/2激发到中间激发态6P3/2并极化,另一束波长为794.6 nm的线偏振光作为探测光,其频率在6P3/2—8S1/2态之间扫描,经过原子气室后差分探测便可获得铯原子激发态6P3/2—8S1/2能级跃迁之间的双色偏振光谱.实验上系统地测量、分析了抽运光频率失谐、偏振,以及抽运光与探测光同反向实验构型对双色偏振光谱的影响,并将其用于794.6 nm半导体激光器的稳频,锁频之后,225 s内的残余频率起伏约为0.5 MHz.     

蓝移阱中单个铯原子基态磁不敏感态的相干操控

单个中性原子的超精细微波跃迁能级的相干性是基于中性原子量子计算、量子信息处理和量子模拟的基础.我们在实验上利用微波双光子拉曼过程实现了蓝移阱中铯原子基态超精细态|6S1/2,F=3,mF=-1〉和|6S1/2,F=4,mF=1〉间的相干操控,并研究了其相对能级频移随磁场的变化,获得了"魔术"磁场的大小为1.4(2)Gauss(1 Gauss=10-4 T).结果表明,利用魔术磁场可大幅改善超精细态|6S1/2,F=3,mF=-1?和|6S1/2,F=4,mF=1〉之间的相干性,测量到的相干时间可达1.0(1)s.     

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.     

超低频调制光缔合光谱的实验研究

通过激光冷却技术在磁光阱中俘获原子数约107,温度约200 μK,直径约400 μm的超冷铯原子,利用超冷铯原子光缔合方法制备了激发态的超冷铯分子。实验研究了光缔合光不同扫描速率对铯分子振转光谱分辨率的影响,发现光缔合光扫描速率较慢时,铯分子振转光谱分辨率较高。通过高灵敏的雪崩光电探测器探测冷原子荧光,获得了超冷铯分子第一激发态6S_1/2+6P_3/2离解限0-_g长程态高分辨振转光谱。为了实现受控拉曼光缔合制备超冷基态分子,光缔合激光频率需要锁定在原子-分子共振跃迁线,对超冷原子光缔合光谱进行了超低频波长调制,通过改变调制幅度和调制频率获得最优化的一阶微分信号,将该信号反馈回激光器,实现闭合环路稳频,满足了受控拉曼光缔合制备振转能级可控的基态分子的实验要求,该工作对研究受限空间中的超冷原子分子具有很重要的意义。     

用于全光铯原子磁力仪的激光器稳频技术研究

全光铯原子磁力仪是采用光学的方法实现微弱磁场检测,激光频率稳定性直接影响磁力仪的灵敏度。分析了二向色性原子蒸气激光频率锁定(Dichroic atomic vapor laser lock DAVLL)技术用于稳定激光器频率的原理,及其在全光原子磁力仪中的应用优势,发现通常的二能级原子模型不适用于分析铯原子D2线的稳频。实验测量了不同磁场下铯原子D2线基态Fg=4和Fg=3跃迁的DAVLL光谱,发现16mT是实现DAVLL稳频的最佳磁场;在此磁场附近,基态Fg=4跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=4→Fe=5跃迁会产生6MHz/mT的线性频移,基态Fg=3跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=3→Fe=4线会产生-9MHz/mT的线性频移。     

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.     

利用激光诱导后向荧光测定Rb[5P_(3/2)(F′=4)]在金属膜附近的非辐射跃迁率

利用激光诱导后向荧光光谱研究了Rb蒸气-玻璃界面的85Rb[5P3/2（F′=2,3,4）→5S1/2（F=3）]超精细结构跃迁。把界面分为2个不同的区域,靠近表面厚度约为一个波长的近区和远区（蒸气区域）,近区起光谱滤波器的作用。将激光分为二束,一束作为检测光通过一个室温下的Rb参考样品池,得到5S1/2（F=3）→5P3/2（F′=2,3,4）半宽为510 MHz的Doppler吸收线,其中心离F=3→F′=4跃迁约为70 MHz。另一束激光进入温度为130℃的Rb样品池,记录共振后向荧光Sob（νL）,将它减去远区辐射的荧光ST（νL）,得到近区辐射的荧光senxp（νL）,它是具有半宽ΓRF=50 MHz的Lorentz线型,而ΓRF=Γn＋cΓoll＋Γnr,Γn为谱线的自然增宽,cΓoll=γRb-RbN为碰撞增宽,γRb-Rb为增宽系数,N为Rb基态密度,Γnr为玻璃表面激发态原子的非辐射能量转移引起的附加增宽,由此得到非辐射跃迁率为AnFr′=4→F=3=2.4×10^8s^-1,它远大于自发辐射率A（5P3/2→5S1/2）=1.4×107s^-1。     

光学偶极阱中铷原子5S_(1/2)及5P_(3/2)态的AC Stark频移

基于二能级模型和多能级模型,分析计算了由强聚焦高斯光束形成的光学偶极阱中87Rb原子5S1/2态和5P3/2态的AC Stark频移。基于多能级模型,针对在852 nm高斯激光束强聚焦所形成的87Rb原子远失谐光学偶极阱中进行偏振梯度冷却的情形,计算了冷却循环跃迁(5S1/2F=2-5P3/2F′=3)的频移量,结果显示频移对molasses冷却过程产生了重要的影响。同时,计算了5S1/2|F=2,mF=±2〉态和5P3/2|F′=3,mF=±3〉态的AC Stark频移随光学偶极阱激光波长的变化情况,发现在红失谐情况下,对于87Rb原子5S1/2-5P3/2态跃迁不存在魔数波长。     

光学偶极阱中铷原子5S_(1/2)及5P_(3/2)态的AC Stark频移

基于二能级模型和多能级模型,分析计算了由强聚焦高斯光束形成的光学偶极阱中87Rb原子5S1/2态和5P3/2态的AC Stark频移。基于多能级模型,针对在852 nm高斯激光束强聚焦所形成的87Rb原子远失谐光学偶极阱中进行偏振梯度冷却的情形,计算了冷却循环跃迁(5S1/2F=2-5P3/2F′=3)的频移量,结果显示频移对molasses冷却过程产生了重要的影响。同时,计算了5S1/2|F=2,mF=±2〉态和5P3/2|F′=3,mF=±3〉态的AC Stark频移随光学偶极阱激光波长的变化情况,发现在红失谐情况下,对于87Rb原子5S1/2-5P3/2态跃迁不存在魔数波长。     

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.     

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.