调制场中Rydberg原子的电磁感应透明

摘要

Rydberg原子是主量子数n很大的高激发态原子，因其具有独特的性质而受到人们广泛的关注，例如 Rydberg原子具有尺寸大（～n2）、寿命长（～n3）和相互作用强（～n11）等特性。特别是极化率大（～n7）的特性使 Rydberg原子对外场非常敏感。Rydberg原子的电磁感应透明（EIT）可以用来实现 Rydberg原子的全光非破坏性探测，在量子逻辑门，单光子源等方面的研究具有重要的意义。外场调控 Rydberg原子EIT提供了一种自校准的精密测量外场的新方法，具有非常好的应用前景。
　　本文以铯原子为研究对象，探测光作用于6S1/2(F=4)→6P3/2(F＇=5)的跃迁，耦合光在Rydberg跃迁线6P3/2(F＇=5)→nS/nD附近扫描，光电探测器探测Rydberg原子的 EIT信号。主要研究内容包括了三个方面，首先，我们研究了基于 Rydberg原子EIT的510nm激光频率的锁定；其次详细的研究了调制激光场中Rydberg原子的EIT及其特性；最后，研究了（40～100MHz）射频场中Rydberg原子的EIT效应，提出了一种基于原子的自校准精密测量射频场的新方法。具体如下：
　　第一，510nm激光频率的锁定：
　　利用饱和吸收光谱将探测光频率锁定在6S1/2(F=4)→6P3/2(F＇=5)的跃迁线，在Rydberg原子三能级系统中获得EIT信号，调制解调Rydberg原子EIT获得类鉴频曲线，由PID反馈回路实现510nm激光的频率锁定，其频率涨落为0.7MHz，阿伦方差的最小值为8.9×10-11。
　　第二，调制探测激光场中的Rydberg原子EIT：
　　在铯原子室温蒸气池中实现 Rydberg原子 EIT的基础上，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λp/λc=1.67倍。实验结果与理论计算相一致。这个研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测。
　　第三，射频电场调制的Rydberg原子EIT：
　　对铯Rydberg原子施加弱射频电场（40MHz~100MHz），D态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理论模拟的结果相吻合。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。
　　本文的创新点：
　　1.通过对EIT信号进行调制解调获得类鉴频信号，实现了510nm激光频率的锁定。实验中我们获得两种类鉴频信号，一种来源于解调饱和吸收光谱，用来实现852nm激光频率锁定；另一种来源于解调Rydberg原子的EIT信号，用来实现510nm激光频率的锁定，频率涨落为0.7MHz。这种稳频方式实现了激光频率在两个激发态跃迁之间的锁定。
　　2.双光子激发和相应的能级组成阶梯型Rydberg原子的EIT系统，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λp/λc=1.67倍。这个研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测。
　　3. Rydberg原子具有很大的极化率，对外场非常敏感，我们用射频电场调制Rydberg能级，导致 Rydberg能级产生 AC Stark频移和射频边带。利用Rydberg原子的EIT研究了射频电场对Rydberg能级的影响。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。

目录

第一章 引言

1.1 Rydberg原子简介

1.2 Rydberg原子EIT的介绍

1.3 射频场中Rydberg原子EIT的研究进展

1.4 本文的布局

第二章 激发激光的频率锁定

2.1 实验装置和能级系统

2.2 第一步激发光频率锁定

2.3 第二步激发光频率锁定

2.4 第二步激发光稳频结果和分析

2.5 本章小结

第三章 调制激光场中Rydberg原子的EIT光谱

3.1 实验步骤及装置

3.2 调制EIT光谱及分析

3.3 本章小结

第四章 弱射频电场作用下Rydberg原子的EIT光谱

4.1 实验装置及步骤

4.2 弱射频光谱和分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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