319nm紫外激光系统研制及其在铯原子单步里德堡激发实验中的应用

发布时间：2020-09-08 13:59

　　 里德堡原子是指主量子数n很高的激发态原子。它具有尺寸大、寿命长、极化率大的特点,导致里德堡原子间产生了强的偶极-偶极相互作用以及对外界电场极其敏感等异于基态原子的特性。这些特性使高激发态里德堡原子在量子光学和量子信息领域体现出重要的应用价值。里德堡原子的应用需要里德堡态的激发,单步里德堡激发可避免多步激发过程中间态的光子散射和AC-Stark频移带来的退相干问题,因此,成为了制备里德堡原子的一种新型且极具挑战的激发方式。本文以研究铯原子单步里德堡激发为目标,充分利用激光技术领域发展迅速的光纤激光器、光纤放大器、准位相匹配晶体材料和非线性频率转化技术,研制了318.6nm高功率、窄线宽且连续可调谐的紫外激光系统,基于该系统开展了热原子气室和冷原子系综中~(133)Cs原子单步里德堡激发的实验研究。主要内容如下:1.介绍了里德堡原子的基本性质及其在量子信息领域中的应用,并介绍了非线性光学以及激光冷却与俘获的一些基础知识。2.使用波长1560.5nm和1076.9nm红外激光器作为基频光,PPMg O:LN晶体材料作为非线性媒介,通过和频转化过程实现了637.2nm高功率红光输出。对比了不同尺寸PPMg O:LN晶体对输出红光的光束质量和长期稳定性等特性的影响,最终获得了功率高达8.75W的单频红光输出。3.基于和频生成的637.2nm高功率红光,采用自制的四镜环形腔,在BBO晶体中经腔增强倍频过程实现了318.6nm紫外激光的高效输出,最大输出功率2.26W。该紫外激光源具有高功率、窄线宽、频率稳定且连续可调谐的特点。4.采用318.6nm紫外激光作为激发光,实现了室温铯原子气室中的单步里德堡激发。实验研究了n P3/2(n=70-100)态的速度选择光谱及其A-T分裂特性。通过里德堡态能量的测量拟合得到了n P3/2里德堡态的量子亏损。5.搭建了用于冷原子系综单步里德堡激发的铯原子磁光阱。对磁光阱关键实验技术做了详细描述,并测量了磁光阱原子数和数密度等参数。通过荧光损耗光谱探测手段实现了冷原子中不同主量子数n P3/2里德堡态的激发和探测并观察到了系综里德堡激发阻塞效应。本文创新之处:1.由于637.2nm波段增益介质非常稀缺,目前商用高功率红光光源主要由长期稳定性差的液体染料激光器提供。我们通过非线性和频转化过程获得了运转稳定、维护方便的高功率全固化637.2nm激光系统。2.采用非线性光学方法对近红外波段激光倍频或者和频是实现高功率紫外波段激光通用的方案,但是此方案会受限于非线性晶体对紫外激光的吸收及伴随产生的热效应。我们实验上通过晶体材料的选择、倍频腔的设计和优化,获得了一套优质的318.6nm紫外激光系统。3.实验上使用光学探测的手段通过单步里德堡激发方式观察到了室温铯原子气室中n P3/2(n=70-100)态的速度选择光谱。使用荧光Trap-loss光谱方式,实现了冷原子系综里德堡态的探测。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O562;TN24
【部分图文】：

319nm 紫外激光系统研制及其在铯原子单步里德堡激 实验 的应用2012 年，Kuzmich 研究小组也采用两步激发方式获得了87Rb 原子 nS1/2里德堡态，并将激发产生的基态 5S1/2和里德堡态 nS1/2自旋波读出转化为光子，实验装置和实验结果如图 1.5 所示，当主量子数 n>70 时，由于里德堡激发阻挡机制，系综原子仅可读出一个光子（g(2)(0)~0），该实验成功实现了基于高激发里德堡态的单光子源[1.25]。使用高激发态里德堡原子实验上也实现了用于远距离量子计算和量子模拟的单光子吸收器[1.26]以及量子中继器[1.27]等。

第三章 637.2nm 倍频实现 318.6nm 紫外激光率附近变化。特制的 AOM 可产生 GHz 频移，带宽也相对较高（<几射效率极低，价格昂贵。对于块状 EOPM，带宽也仅有几百 MHz放驱动。相比于 AOM 和块状 EOPM，商用的波导型 EOPM 避免典型带宽可达几十 GHz。Thorpe 等人通过在标准 PDH 锁频基础上带锁定技术[3.24]。基于波导型 EOPM，人们使用边带调制技术将激，其动态锁定扫描范围达到了 220MHz[3.25][3.25][3.26]。实验中，我（ESB）锁定技术结合高精细度光学超稳腔实现了 318.6nm 紫外激.1 电子学边带稳频方法

图 3.13 超稳腔实物图。制系统用到的最关键的部件为一台双波长高精细度光学形 F-P 腔（A-T Films），由一片平面镜和一片曲率半径镜和腔体均由低膨胀系数的微晶玻璃材料制成。腔镜镀的高反膜，腔长约为 47.6mm。腔型设计与 Leibrandt 小组的示，F-P 腔体置于热辐射屏蔽罩内并整体放置于温控的超部温度均匀，我们通过主动控温的方式将腔体控于零膨胀验中使用一台抽速为 8L/s 的离子泵将真空腔体内压稳腔参数测试装、调试完成后，分别将 1560.5nm 和 637.2nm 激光经模得超稳腔参数的准确值，我们首先通过 EOM 调制边带的

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本文编号：2814260