基于里德伯原子天线的低频电场波形测量

里德伯原子的高极化率可以实现电磁场的多维度参数测量.本文利用室温里德伯原子构建原子天线,基于原子天线将低频电场幅度信息转化为强度信息,从而实现低频电场的参数测量.实验采用双光子激发制备铯原子里德伯态,通过阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态的检测,基于内置电极技术在室温原子气室导入k Hz频段低频电场.电场中里德伯原子的Stark频移会在EIT过程导致双光子失谐,从而引起EIT光谱频移和强度变化.在弱电场条件下,EIT光谱频移可以忽略,EIT透射强度与输入低频电场强度近似为线性关系,基于该效应可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量.

里德伯原子幻零波长

原子极化率反映其对外场的响应特性,动态极化率等于零的外场波长称为零极化或幻零(tune-out)波长.里德伯原子的tune-out波长计算较为困难,本文设计室温气室里德伯原子测量装置,基于调幅电磁感应透明(amplitude modulation electromagnetically induced transparency,AM-EIT)光谱技术实现tune-out波长测量.实验采用双光子级联激发制备铯原子里德伯态,利用阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态检测;通过微波频率连续扫描测量里德伯原子AM-EIT信号;在tune-out波长处,邻近耦合能级对目标里德伯态的动态极化为零,原子动态Stark效应相消,AM-EIT信号极弱.我们建立简化三能级模型计算tune-out波长,理论与实验结果基本符合.

基于里德伯原子Stark效应射频电场测量灵敏度研究

里德伯原子极化率大,在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移,可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究.采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型,计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱,修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子的DC Stark离子能谱拟合,在获得60D_(5/2)和70D_(5/2)里德伯原子态极化率αDC的同时实现低频弱场灵敏度的计算.并计算了Cs里德伯原子60D_(5/2)态频率在0—500 GHz范围内振荡电场中的AC Stark能级频移量,对里德伯原子传感器在其宽光谱范围内的灵敏度进行定量分析,实现任意场频率最佳灵敏度的计算,为里德伯原子传感器的研究提供理论基础.

超冷(36D_(5/2)+6S_(1/2))里德伯分子的制备及其电偶极矩的测量

里德伯-基态分子由一个里德伯原子和一个基态原子组成,束缚机制是里德伯电子与基态原子的低能电子散射相互作用.理论上,通过低能电子散射Fermi赝势模型,数值计算了铯(36D_(5/2)+6S_(1/2))里德伯-基态分子的绝热势能曲线,提取了里德伯分子的束缚能和平衡核间距等光谱参数.实验上,利用双光子光缔合技术成功制备了散射三重态(^(T)∑,Triplet)和散射单重态-三重态混合(^(S,T)∑,Mixed)形成的里德伯-基态分子,获得了里德伯分子的光缔合光谱,测量的势阱深度与理论计算结果相吻合.另外,以散射三重态为例,分析了里德伯分子的光缔合光谱在外加电场中的展宽现象,获得其平均永久电偶极矩|d|为(12.10±1.65)Debye((4.76±0.65)ea_(0)),与理论计算结果保持一致.该研究为实验上制备D态里德伯-基态分子提供了可行的实验方案,对理解里德伯分子的光谱特性具有重要意义.

超级里德伯原子间的稳态关联集体激发与量子纠缠

处于同一偶极阻塞区域的里德伯原子系综可以看作一个超级原子,如果它们被捕获在两个不同的光偶极阱中,那么每一个光偶极阱中的子原子系综可以看作为一个亚超级原子.由于这两个亚超级原子共享不超过一个激发的里德伯原子,所以它们会强烈地关联起来.本文研究这两个里德伯亚超级原子的稳态关联集体激发特性和量子纠缠行为.结果表明原子数目带来的影响非常明显:里德伯亚超级原子越大(包含原子数目越多),集体激发概率越大;最大纠缠只发生在等大的两个里德伯亚超级原子之间.通过增加原子数目,可以实现介观领域的量子纠缠,对量子-经典对应的研究以及量子信息处理有着重要的作用.

光晶格作用下里德伯冷原子系统中的二维空间光孤子

实现高维光孤子是非线性光学研究中一个长期的目标.本文设计了一个里德伯冷原子与贝塞尔晶格势耦合的系统,发现了一系列稳定的二维空间光孤子簇,包括基极孤子、二级孤子、四级孤子和涡旋孤子.研究表明,光传播系数、非局域非线性系数、贝塞尔晶格常数可以用来调控光孤子的产生、空间分布及演化;在系统参数的调控下,该光孤子簇具备空间稳定性,能够在一定距离内稳定传播.本研究为高维空间光孤子的产生和调控提供了一种新的思路.

用于铯原子里德伯态激发的509nm波长脉冲激光系统

介绍了一种用于里德伯原子激发的纳秒脉冲激光系统.实验利用两个kHz线宽的1018 nm连续激光器作为种子源,通过两个20GHz带宽的光纤调制器产生时间分离的脉冲激光;脉冲激光经掺镱光纤放大器后输出峰值功率约4600 W,单次穿过PPLN(周期极化铌酸锂)晶体倍频获得509 nm脉冲激光,典型脉冲激光峰值功率约173W.该激光系统单路输出脉冲重复频率在300 kHz-100 MHz范围连续可调,脉宽在1-100 ns范围连续可调.该509 nm激光在聚焦条件下可以实现GHz带宽的铯原子里德伯态激发.

腔增强热里德伯原子光谱

高精度里德伯原子光谱在研究里德伯原子间的相互作用、里德伯能级结构、电磁场的精密测量等方面具有重要的应用价值,里德伯原子光谱对比度、信噪比的提高和线宽的压窄是获得高灵敏测量的基础.本文通过理论和实验研究了腔增强的里德伯原子光谱,与自由空间的光谱相比实现了在光谱线宽不变情况下11.5倍的光谱对比度和信噪比的提高.其原因是在双光子共振处产生的电磁诱导透明和光泵浦效应会导致腔内原子对探测光吸收的减弱,提高了光学腔的阻抗匹配效率,从而使进入腔内的光强增大,因此提高了里德伯原子光谱的对比度和信噪比,提高的倍数取决于探测光穿过原子的透射率.预期通过优化铯原子温度,光谱的对比度和信噪比能够提高23倍.本工作为提高里德伯原子光谱的对比度和基于里德伯原子的精密测量灵敏度提供了参考.

里德伯原子辅助光力系统的完美光力诱导透明及慢光效应

光力诱导透明是典型的量子相消干涉效应,在量子光学和量子信息处理当中具有广泛的应用.本文在里德伯原子系综镶嵌的复合光力学系统中考察了光力诱导透明现象以及由此产生的慢光效应.当考虑非旋转波近似的情况下,可以获得完美的光力诱导透明,即非常狭窄的理想透明窗口.在可分辨边带条件下,微腔品质越高,完美透明窗口中的慢光效应越明显.特别地,与其他原子相比,在实现超慢光方面里德伯原子的长寿命体现了其优越性.

铯31D_(5/2)+6S_(1/2)(F=4)长程里德伯分子的光缔合光谱

长程里德伯分子由一个里德伯原子与一个或多个基态原子组成,此类分子通过里德伯电子与基态原子间的低能电子散射相互作用束缚形成.本文采用双光子光缔合的实验方案成功制备了由一个铯里德伯原子与一个铯基态原子形成的31D_(5/2)+6S_(1/2)(F=4)双原子长程里德伯分子.实验采集的光缔合光谱在原子共振线负失谐-162.8 MHz和-66.6 MHz处有两个明显的分子信号,分别是由s-波纯三重态散射和s-波单重态-三重态混合散射形成.使用Fermi赝势理论对实验结果进行模拟,计算得到分子的绝热势能曲线,并由分子哈密顿理论获得了v=0分子振动基态波函数和束缚能.理论计算与实验测量值符合得很好,并由此得到s-波纯三重态和单重态零能散射长度为a_(s)^(T) (0)=-19.16a_(0)和a_(s)^(S) (0)=-1.92a_(0).此类分子具有尺寸大、振动能级丰富和永久电偶极矩大等优良性质,是研究低能碰撞极好的候选介质.对此类分子的研究将进一步加深和丰富对长程里德伯分子特殊束缚机制和奇异性质的认识.

周期莫尔晶格中里德伯缀饰玻色气体的基态结构

里德伯缀饰和自旋轨道耦合的实验实现极大地拓宽了冷原子作为量子模拟平台的研究视野.本文研究了莫尔晶格中里德伯缀饰自旋轨道耦合玻色气体的基态结构,探索了非局域里德伯相互作用和自旋轨道耦合强度对该系统基态的影响.研究发现,当出现非局域里德伯相互作用时,系统不再具有平移对称性,倾向于形成更多更规则的周期性结构;当存在自旋轨道耦合相互作用时,系统的基态在此周期性结构的基础上,将呈现出更加丰富的内部结构.

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.

锂原子里德伯态能级的精细结构分裂

对锂原子的四体问题的哈密顿算符进行幂级数展开 ,通过计算原子实的极化 (包括偶极矩 ,四极矩至八级电极矩 )对能级的贡献 ,同时考虑相对论效应和LS耦合以及有效势的高阶修正 ,求得了锂原子里德伯态的能级位移和能级公式。用此公式计算N =5～ 12 ,L =4～ 9,J =L± 1/ 2的相关的精细结构位移以及能级间隔 ,并与有关实验结果进行了比较。

钠原子高里德伯态跃迁的模型势研究

应用我们提出的ｋ系数方法［物理学报，４２（１９９３），７２７］，使用最弱受约束电子势模型下的简单解析波函数，我们系统研究了钠原子高里德伯态（ｎ～４０）间跃迁的振子强度与辐射寿命，所得振子强度及辐射寿命与可得到的其他作者的结果作了比较，表明了结合ｋ系数校正的最弱受约束电子势模型方法对于研究Ｎａ原子的高里德伯态性质的有效性，并在各种节点校正下。

锂原子高里德伯态跃迁的振子强度和辐射寿命

根据k系数方法[1]，应用最弱受约束电子势模型下的简单解析波函数，系统研究了各种可能节点校正下，锂原子高里德伯态（n～40）间跃迁的振子强度与辐射寿命，得到了对应于各跃迁类的节点校正规则，在这些节点校正规则下，所得振子强度及辐射寿命与可得到的其他作者的结果非常接近。

氢原子光谱实验求里德伯常量的数据处理方法

分析了氢原子光谱实验中求里德伯常量的多种数据处理方法,得出了以波长为因变量的过原点直线拟合的方法和用各波长求RH后加权平均的方法较为合理的结论.

用不同的方法导出里德伯常量

分别以角动量量子化条件的基本假设和对应原理准则导出里德伯常量,并将两种方法的结果与实验值相比较, 其结果具有一致性.

平行电磁场中里德伯氢原子的自相似结构研究

利用半经典方法研究了平行电磁场中里德伯氢原子的分形自相似现象.通过研究平行电磁场中里德伯氢原子的逃逸时间和初始出射角间的关系,发现了逃逸时间图的自相似结构,并通过研究与图中冰柱对应的逃逸轨道,得到了自相似结构和逃逸轨道之间的关系,发现了该类自相似逃逸轨道满足的规律.进一步研究了标度能量和标度磁场对体系动力学的影响,表明标度能量和标度磁场均控制体系的分形自相似结构.当标度能量或标度磁场比较小时,没有自相似现象,随着标度能量或标度磁场的增大,自相似出现,体系变复杂.

Na原子ns和nd里德伯系列光电离光谱

采用两步脉冲染料激光激发得到了Na原子ns和nd里德伯序列光电离谱。实验得到的大部分能级(n=21到n=50)己被确定,与用Rydberg-Ritz公式计算的值进行了比较,其能差均在扫描染料激光线宽(约0.3cm^(-1)所限制的范围内。

里德伯电磁感应透明中的相位

本文在典型的里德伯电磁感应透明系统中研究弱探测场在相互作用原子系统中的传播特性,重点关注基于偶极阻塞效应的探测场相位的合作光学非线性行为.通过与探测场透射率和光子关联作对比,发现相位的光学响应具有新特性:共振和Autler-Townes劈裂条件下相位对入射场强和初始光子关联不敏感,而在两者之间的频率范围内相位响应具有非线性特征,尤其在经典光频率处最显著.此外,提高主量子数和原子密度都会促进相位的非线性效应.综上,与探测场透射率和光子关联一样,相位可以作为合作光学非线性的另一个标识来刻画非线性现象,对里德伯电磁感应透明研究是一个有力的补充.