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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于电磁诱导透明效应的无调制里德堡跃迁激光锁频

我们实验上展示了利用室温Rb原子蒸汽池中的电磁诱导透明光谱实现里德堡跃迁激光无调制频率锁定方法。在Rb原子5S_(1/2),5P_(3/2),10D_(3/2)组成的级联三能级系统中,耦合激光工作于原子从中间态5P_(3/2)和里德堡态10D_(3/2)跃迁,探测激光工作于耦合基态5S_(1/2)到中间态5P_(3/2)的跃迁。通过扫描耦合光的频率并测量探测光的光强变化实现EIT信号的监测。我们对探测光进行频率调制,通过解调EIT光谱获得误差信号,并将误差信号经由PID控制电路反馈至激光器进而实现耦合激光频率的锁定。利用这种方法实现了耦合激光的无调制锁频,激光锁定后的残余频率起伏约为1 MHz。这种锁定方法对实现里德堡态原子的高效制备具有重要意义。     

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.     

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.     

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.