外场调控的里德堡原子电磁感应透明及量子关联特性

摘要

里德堡原子具有尺寸大、寿命长、极化率大的特点，以及原子间强相互作用可产生激发阻塞效应，这些特点使其成为目前原子分子领域的研究热点。里德堡原子的电磁感应透明(EIT)效应不仅具有普通EIT的特性，还携带了里德堡原子本身的奇异特点，这使得里德堡原子EIT在非线性光学、量子信息处理、量子纠缠和量子逻辑门以及单光子源的制备和精密测量等方面具有很广泛的应用前景。里德堡原子电磁感应透明提供了一种全光学的无损探测里德堡原子的新技术，与传统的离子探测方法相比，不会对原子产生破坏，同时提供了一种测量原子间相互作用的新方法。
　　本文以铯原子作为研究对象，在热原子系统中研究了射频电场缀饰的里德堡原子电磁感应透明光谱，利用里德堡原子EIT效应实现了510nm激光频率的锁定;搭建了铯冷原子磁光阱系统，利用里德堡原子的EIT效应测量获得二阶关联函数，研究了里德堡原子间的强相互作用以及里德堡原子间的量子关联特性。
　　主要研究内容如下:
　　1.在热原子蒸气池中，对外场调控的里德堡原子电磁感应透明光谱作了详细的研究。实验中测量了各向同性的S态以及各向异性的D态里德堡原子的射频调制光谱，根据射频EIT谱线特征实现了射频电场强度的自校准，并且利用D态原子各向异性的特点，实现了射频电场极化方向的测量。通过非微扰的Floquet理论对实验结果进行了模拟，理论和实验符合的非常好。
　　2.介绍了冷原子磁光阱系统的搭建，并对关键的实验技术做了详细描述;利用里德堡原子的电磁感应透明效应实现了510nm耦合光频率的锁定，提供了一种将激光频率锁定在激发态跃迁的方法。
　　3.研究了冷里德堡原子的电磁感应透明光谱。实验中通过改变探测光、耦合光、以及不同的主量子数n，研究了里德堡原子之间的相互作用对里德堡原子电磁感应透明的影响;建立了里德堡EIT的理论模型，引入了里德堡原子相互作用导致的衰减项γ3=κ×(ρ33/Ωp)2，理论拟合和实验测量符合的非常好。
　　4.利用里德堡原子电磁感应透明实现了强关联里德堡多体系统的无损探测，测量并获得80D态里德堡多体系统的二阶关联函数，研究了超冷里德堡原子的量子关联特性。
　　本文的创新之处:
　　1.里德堡原子具有很大的极化率（～n7），对外场非常敏感。利用弱射频电场调制里德堡能级产生AC Stark频移和射频边带。利用里德堡原子的EIT光谱研究了射频电场缀饰的各向同性的S态和各向异性的D态里德堡原子的射频光谱，获得了里德堡EIT射频Stark光谱和射频边带光谱，实验结果与Floquet理论计算的结果相一致。提出了一种基于里德堡原子的高精度自校准射频电场的新方法（精度达到±0.5％）和射频场极化方向的测量技术，具有重要的应用前景。
　　2.实验上对探测光进行调制，利用里德堡原子电磁感应透明和调制解调光谱技术，同时实现了852nm和510nm激光器的频率锁定。里德堡原子电磁感应透明效应提供了一种将激光频率锁定在里德堡能级跃迁线的方法。
　　3.里德堡原子间的长程相互作用阻止了相邻原子的进一步激发，形成激发阻塞效应。在激发阻塞区域内，有且只有一个里德堡原子可以被激发到里德堡态，形成强关联里德堡多体系统。利用里德堡原子电磁感应透明效应可以实现强关联里德堡多体系统的无损探测，利用HBT法测量二阶关联函数，研究了超冷里德堡多体系统的量子关联特性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 里德堡原子

1．1．1 里德堡原子的波函数

1．1．2 里德堡原子的激发阻塞效应

1．2 背景介绍

1．2．1 里德堡原子的电磁感应透明效应

1．2．2 里德堡原子电磁感应透明效应的研究背景

1．2．3 场缀饰的里德堡原子电磁感应透明效应的研究背景

1．3 里德堡原子间量子关联的测量

1．4 本文的主要内容

参考文献

第二章 射频场缀饰的里德堡原子电磁感应透明光谱

2．1 理论模型

2．1．1 能级图

2．1．2 弱场模型

2．1．3 Floquet模型

2．2 实验装置

2．3 射频场缀饰的S态里德堡原子EIT光谱

2．3．1 强场作用下的里德堡原子EIT光谱

2．3．2 线型展宽模型和数据分析

2．3．3 射频电场的高次谐波和DC电场对谱线的影响

2．3．4 射频电场频率的测量

2．4 射频场缀饰的D态里德堡原子EIT光谱

2．4．1 射频场中D态里德堡原子EIT光谱

2．4．2 基于D态里德堡原子EIT的场强校准

2．4．3 射频场传输中的驻波因子校准

2．4．4 基于D态里德堡原子EIT的电场极化方向的测量

2．5 本章小结

参考文献

第三章 超冷里德堡原子电磁感应透明效应的实验装置

3．1 超冷铯原子的制备

3．1．1 真空系统

3．1．2 光学系统

3．1．3 铯原子的冷却与俘获

3．2 探测和控制系统

3．2．1 荧光成像

3．2．2 吸收成像

3．2．3 控制系统

3．3 激光器的稳定系统

3．3．1 饱和吸收谱稳频

3．3．2 偏振谱稳频

3．3．3 利用EIT实现耦合光频率的锁定

3．3．4 激光功率的稳定

3．4 探测光频率扫描系统

3．5 本章小结

参考文献

第四章 超冷里德堡原子电磁感应透明效应

4．1 里德堡原子电磁感应透明的理论模型

4．2 超冷里德堡原子电磁感应透明效应

4．2．1 实验装置

4．2．2 里德堡原子的相互作用对EIT的影响

4．2．3 光辐射压对EIT线型的影响

4．3 本章小结

参考文献

第五章 基于里德堡原子电磁感应透明效应的量子关联测量

5．1 超冷里德堡多体系统的制备

5．2 实验系统的改进和优化

5．2．1 光路的优化

5．2．2 探测和数据处理系统的优化

5．3 超冷里德堡原子量子关联的测量

5．3．1 D态里德堡原子的EIT

5．3．2 D态里德堡EIT的退相干效应及其关联函数

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

个人简况及联系方式

声明