里德堡原子是指主量子數(shù)n很高的激發(fā)態(tài)原子。它具有尺寸大、壽命長、極化率大的特點(diǎn),導(dǎo)致里德堡原子間產(chǎn)生了強(qiáng)的偶極-偶極相互作用以及對外界電場極其敏感等異于基態(tài)原子的特性。這些特性使高激發(fā)態(tài)里德堡原子在量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域體現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。里德堡原子的應(yīng)用需要里德堡態(tài)的激發(fā),單步里德堡激發(fā)可避免多步激發(fā)過程中間態(tài)的光子散射和AC-Stark頻移帶來的退相干問題,因此,成為了制備里德堡原子的一種新型且極具挑戰(zhàn)的激發(fā)方式。本文以研究銫原子單步里德堡激發(fā)為目標(biāo),充分利用激光技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速的光纖激光器、光纖放大器、準(zhǔn)位相匹配晶體材料和非線性頻率轉(zhuǎn)化技術(shù),研制了318.6nm高功率、窄線寬且連續(xù)可調(diào)諧的紫外激光系統(tǒng),基于該系統(tǒng)開展了熱原子氣室和冷原子系綜中~(133)Cs原子單步里德堡激發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容如下:1.介紹了里德堡原子的基本性質(zhì)及其在量子信息領(lǐng)域中的應(yīng)用,并介紹了非線性光學(xué)以及激光冷卻與俘獲的一些基礎(chǔ)知識。2.使用波長1560.5nm和1076.9nm紅外激光器作為基頻光,PPMg O:LN晶體材料作為非線性媒介,通過和頻轉(zhuǎn)化過程實(shí)現(xiàn)了637.2nm高功率紅光輸出。對比了不同尺寸PPMg O:LN晶體對輸出紅光的光束質(zhì)量和長期穩(wěn)定性等特性的影響,最終獲得了功率高達(dá)8.75W的單頻紅光輸出。3.基于和頻生成的637.2nm高功率紅光,采用自制的四鏡環(huán)形腔,在BBO晶體中經(jīng)腔增強(qiáng)倍頻過程實(shí)現(xiàn)了318.6nm紫外激光的高效輸出,最大輸出功率2.26W。該紫外激光源具有高功率、窄線寬、頻率穩(wěn)定且連續(xù)可調(diào)諧的特點(diǎn)。4.采用318.6nm紫外激光作為激發(fā)光,實(shí)現(xiàn)了室溫銫原子氣室中的單步里德堡激發(fā)。實(shí)驗(yàn)研究了n P3/2(n=70-100)態(tài)的速度選擇光譜及其A-T分裂特性。通過里德堡態(tài)能量的測量擬合得到了n P3/2里德堡態(tài)的量子虧損。5.搭建了用于冷原子系綜單步里德堡激發(fā)的銫原子磁光阱。對磁光阱關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)做了詳細(xì)描述,并測量了磁光阱原子數(shù)和數(shù)密度等參數(shù)。通過熒光損耗光譜探測手段實(shí)現(xiàn)了冷原子中不同主量子數(shù)n P3/2里德堡態(tài)的激發(fā)和探測并觀察到了系綜里德堡激發(fā)阻塞效應(yīng)。本文創(chuàng)新之處:1.由于637.2nm波段增益介質(zhì)非常稀缺,目前商用高功率紅光光源主要由長期穩(wěn)定性差的液體染料激光器提供。我們通過非線性和頻轉(zhuǎn)化過程獲得了運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、維護(hù)方便的高功率全固化637.2nm激光系統(tǒng)。2.采用非線性光學(xué)方法對近紅外波段激光倍頻或者和頻是實(shí)現(xiàn)高功率紫外波段激光通用的方案,但是此方案會受限于非線性晶體對紫外激光的吸收及伴隨產(chǎn)生的熱效應(yīng)。我們實(shí)驗(yàn)上通過晶體材料的選擇、倍頻腔的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,獲得了一套優(yōu)質(zhì)的318.6nm紫外激光系統(tǒng)。3.實(shí)驗(yàn)上使用光學(xué)探測的手段通過單步里德堡激發(fā)方式觀察到了室溫銫原子氣室中n P3/2(n=70-100)態(tài)的速度選擇光譜。使用熒光Trap-loss光譜方式,實(shí)現(xiàn)了冷原子系綜里德堡態(tài)的探測。
【學(xué)位單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O562;TN24
【部分圖文】：

319nm 紫外激光系統(tǒng)研制及其在銫原子單步里德堡激 實(shí)驗(yàn) 的應(yīng)用2012 年，Kuzmich 研究小組也采用兩步激發(fā)方式獲得了87Rb 原子 nS1/2里德堡態(tài)，并將激發(fā)產(chǎn)生的基態(tài) 5S1/2和里德堡態(tài) nS1/2自旋波讀出轉(zhuǎn)化為光子，實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1.5 所示，當(dāng)主量子數(shù) n>70 時(shí)，由于里德堡激發(fā)阻擋機(jī)制，系綜原子僅可讀出一個(gè)光子（g(2)(0)~0），該實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了基于高激發(fā)里德堡態(tài)的單光子源[1.25]。使用高激發(fā)態(tài)里德堡原子實(shí)驗(yàn)上也實(shí)現(xiàn)了用于遠(yuǎn)距離量子計(jì)算和量子模擬的單光子吸收器[1.26]以及量子中繼器[1.27]等。

第三章 637.2nm 倍頻實(shí)現(xiàn) 318.6nm 紫外激光率附近變化。特制的 AOM 可產(chǎn)生 GHz 頻移，帶寬也相對較高（<幾射效率極低，價(jià)格昂貴。對于塊狀 EOPM，帶寬也僅有幾百 MHz放驅(qū)動(dòng)。相比于 AOM 和塊狀 EOPM，商用的波導(dǎo)型 EOPM 避免典型帶寬可達(dá)幾十 GHz。Thorpe 等人通過在標(biāo)準(zhǔn) PDH 鎖頻基礎(chǔ)上帶鎖定技術(shù)[3.24]。基于波導(dǎo)型 EOPM，人們使用邊帶調(diào)制技術(shù)將激，其動(dòng)態(tài)鎖定掃描范圍達(dá)到了 220MHz[3.25][3.25][3.26]。實(shí)驗(yàn)中，我（ESB）鎖定技術(shù)結(jié)合高精細(xì)度光學(xué)超穩(wěn)腔實(shí)現(xiàn)了 318.6nm 紫外激.1 電子學(xué)邊帶穩(wěn)頻方法

圖 3.13 超穩(wěn)腔實(shí)物圖。制系統(tǒng)用到的最關(guān)鍵的部件為一臺雙波長高精細(xì)度光學(xué)形 F-P 腔（A-T Films），由一片平面鏡和一片曲率半徑鏡和腔體均由低膨脹系數(shù)的微晶玻璃材料制成。腔鏡鍍的高反膜，腔長約為 47.6mm。腔型設(shè)計(jì)與 Leibrandt 小組的示，F(xiàn)-P 腔體置于熱輻射屏蔽罩內(nèi)并整體放置于溫控的超部溫度均勻，我們通過主動(dòng)控溫的方式將腔體控于零膨脹驗(yàn)中使用一臺抽速為 8L/s 的離子泵將真空腔體內(nèi)壓穩(wěn)腔參數(shù)測試裝、調(diào)試完成后，分別將 1560.5nm 和 637.2nm 激光經(jīng)模得超穩(wěn)腔參數(shù)的準(zhǔn)確值，我們首先通過 EOM 調(diào)制邊帶的

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