铯原子的单光子跃迁里德堡激发及nP 3/2 里德堡态的量子亏损
发布时间：2021-07-05 08:18
里德堡态是一种被激发到主量子数很大的特殊的原子能态,其具有一系列特性,如;较大的原子半径,较小的能级间隔,长寿命,较大的极化率及强偶极-偶极相互作用等。而基于以上特点,里德堡原子不仅可以作为探测外场的媒介,也广泛用于量子逻辑门及量子中继器等。而利用单光子跃迁激发方案制备的里德堡原子,由于不存在中间态引入的退相干机制,因此适合制备兼具基态长寿命及里德堡态强相互作用的缀饰态。本文以研究高激发里德堡态的单光子制备及长时间俘获为目的,基于实验室自制的高功率窄线宽紫外激光系统,结合理论及实验开展了室温原子气室中133Cs的里德堡态制备及魔术波长偶极阱俘获里德堡态原子的工作,主要内容如下:1.介绍了里德堡态原子的基础知识及特性,介绍了里德堡态的光学制备方案及应用前景。2.介绍了量子亏损的基本概念,利用量子亏损理论计算了铯原子6S1/2基态到nP3/2（n=70-100）里德堡态的量子亏损;根据量子亏损和原子参数计算出了对应跃迁线的跃迁能量,并在室温原子气室中实现了单光子跃迁里德堡激发,并测量了量子亏损。3.介绍了偶极阱的基本概念,利用多能级模型通过计算铯原子nP3/2态的极化率得到了针对铯原子6S...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
里德堡原子的激发方案
第一章绪论3案中的激发光而诱导AC-Stark频移，因此避免了额外的退相干机制的引入。因此即使单光子激发在实验上实现的难度相对较大，对于如里德堡缀饰基态[16]或缀饰磁光阱[17]等对原子相干性要求较高的研究工作来说，利用紫外激光直接耦合基态与里德堡态依然是最优选择。1.3里德堡原子应用前景基于里德堡态间的强相互作用和较大的极化率等特点，近年在电场传感、量子光学和量子信息领域，里德堡原子都是研究的热点。由于碱金属里德堡态原子具有较大的电偶极矩，原子间存在着很强的短程及长程相互作用，如图1.2为里德堡原子间相互作用势随距离的变化。当两原子间相互作用大于激光与原子相互作用能时，一定的空间区域内将只会激发一个里德堡原子，出现里德堡阻塞效应[11]，且主量子数越大，阻塞效应越明显。因此高激发里德堡态间能够实现强的长程耦合。图1.2里德堡态原子间的相互作用[10]许多课题组都开展了基于里德堡态的相关研究工作。2000年及2001年Lukin及Zoller等人就分别提出了基于里德堡态中性原子的量子逻辑门[18]和量子信息的想干操控[19]理论；2009年美国Saffman研究小组基于里德堡原子的阻塞效应，在两个相距~10μm、腰斑10μm的ODT中分别制备两个里德堡原子，对调控目标原子的量子态相位以及激发动力学过程进行了研究，实现了基于里德堡态的C-NOT门[20]，其相互作用距离相较传统的中性原子纠缠长度长三个数量级。2010年，Zoller等人也基于里德堡原子间的强相互作用，对本地量子纠缠的确定性产生、交换和纯化等进行了研究，基于里德堡原子的量子中继器的纠缠分布速率相比传统的中继器高两
第二章铯原子里德堡态的量子亏损及实验测量7246,0246000...nlnnn(2-3)对于主量子数n很大的中性原子的高激发里德堡态，式(2-3)仅需考虑前两项，对于铯原子nP3/2里德堡态，对应的0和2参数可通过查阅[1]得到。图2.1为利用式(2-3)计算得到的铯原子nP3/2(n=50~100)各态的量子亏损，可见铯原子nP3/2态的量子亏损随着n的增加而逐渐的减校图2.1.(左)铯原子nP3/2(n=50-100)态的量子亏损计算结果。在n很大时，量子亏损值近似不再随着n而变化。(右)对应6S1/2基态到nP3/2(n=70-100)里德堡态的跃迁能量。得到了对应不同n的量子亏损值后，就可通过式(2-1)对铯原子基态到里德堡态的跃迁能量进行计算。基于实验需求，铯原子6S1/2基态到nP3/2(n=70-100)里德堡态的跃迁能量如图2.1(右)所示，在主量子数n很大的高激发态，能级间隔逐渐减校2.2室温铯原子气室中的nP3/2里德堡态激发由二能级原子与光场相互作用得到的Rabi频率表达式[30]：021Exe(2-4)光与原子的相互作用强度主要取决于原子1态到2态的跃迁矩阵元21x以及光场的强度E02，对于里德堡态来说，由于基态到里德堡态的跃迁矩阵元较小，高激发里德堡态的单光子激发跃迁概率低；同时由于高激发里德堡态的能级间隔很小，自然线宽窄，因此实验中我们自制了一套高功率、窄线宽、频率可连续调谐的紫外激光系统[31,32]用于实现里德堡的单光子制备。而即使采用很高功率的激发光进
【参考文献】：
期刊论文
[1]Stable continuous-wave single-frequency intracavity frequency-doubled laser with intensity noise suppressed in audio frequency region[J]. 高英豪,李渊骥,冯晋霞,张宽收. Chinese Physics B. 2019(09)
[2]瓦级319 nm单频连续紫外激光的实现及铯原子单光子Rydberg激发[J]. 王军民,白建东,王杰英,刘硕,杨保东,何军. 中国光学. 2019(04)
[3]铯原子nP3/2（n=70—94）里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量[J]. 刘硕,白建东,王杰英,何军,王军民. 物理学报. 2019(07)
[4]基于声光频移器反馈控制的397.5 nm紫外激光功率稳定研究[J]. 白乐乐,温馨,杨煜林,刘金玉,何军,王军民. 中国激光. 2018(10)
[5]弱射频场中Rydberg原子的电磁感应透明[J]. 杨智伟,焦月春,韩小萱,赵建明,贾锁堂. 物理学报. 2017(09)
[6]量子光力系统中激光额外噪声的高效抑制（英文）[J]. 张新艳,李宗阳,李永民. 光子学报. 2015(08)
[7]铯原子里德堡态Stark能量及电偶极矩的测量和理论计算[J]. 李昌勇,张临杰,赵建明,贾锁堂. 物理学报. 2012(16)
[8]碱原子高里德堡态的极化率[J]. 何兴虹,李白文,张承修. 物理学报. 1989(10)
本文编号：3265716
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
里德堡原子的激发方案
第一章绪论3案中的激发光而诱导AC-Stark频移，因此避免了额外的退相干机制的引入。因此即使单光子激发在实验上实现的难度相对较大，对于如里德堡缀饰基态[16]或缀饰磁光阱[17]等对原子相干性要求较高的研究工作来说，利用紫外激光直接耦合基态与里德堡态依然是最优选择。1.3里德堡原子应用前景基于里德堡态间的强相互作用和较大的极化率等特点，近年在电场传感、量子光学和量子信息领域，里德堡原子都是研究的热点。由于碱金属里德堡态原子具有较大的电偶极矩，原子间存在着很强的短程及长程相互作用，如图1.2为里德堡原子间相互作用势随距离的变化。当两原子间相互作用大于激光与原子相互作用能时，一定的空间区域内将只会激发一个里德堡原子，出现里德堡阻塞效应[11]，且主量子数越大，阻塞效应越明显。因此高激发里德堡态间能够实现强的长程耦合。图1.2里德堡态原子间的相互作用[10]许多课题组都开展了基于里德堡态的相关研究工作。2000年及2001年Lukin及Zoller等人就分别提出了基于里德堡态中性原子的量子逻辑门[18]和量子信息的想干操控[19]理论；2009年美国Saffman研究小组基于里德堡原子的阻塞效应，在两个相距~10μm、腰斑10μm的ODT中分别制备两个里德堡原子，对调控目标原子的量子态相位以及激发动力学过程进行了研究，实现了基于里德堡态的C-NOT门[20]，其相互作用距离相较传统的中性原子纠缠长度长三个数量级。2010年，Zoller等人也基于里德堡原子间的强相互作用，对本地量子纠缠的确定性产生、交换和纯化等进行了研究，基于里德堡原子的量子中继器的纠缠分布速率相比传统的中继器高两
第二章铯原子里德堡态的量子亏损及实验测量7246,0246000...nlnnn(2-3)对于主量子数n很大的中性原子的高激发里德堡态，式(2-3)仅需考虑前两项，对于铯原子nP3/2里德堡态，对应的0和2参数可通过查阅[1]得到。图2.1为利用式(2-3)计算得到的铯原子nP3/2(n=50~100)各态的量子亏损，可见铯原子nP3/2态的量子亏损随着n的增加而逐渐的减校图2.1.(左)铯原子nP3/2(n=50-100)态的量子亏损计算结果。在n很大时，量子亏损值近似不再随着n而变化。(右)对应6S1/2基态到nP3/2(n=70-100)里德堡态的跃迁能量。得到了对应不同n的量子亏损值后，就可通过式(2-1)对铯原子基态到里德堡态的跃迁能量进行计算。基于实验需求，铯原子6S1/2基态到nP3/2(n=70-100)里德堡态的跃迁能量如图2.1(右)所示，在主量子数n很大的高激发态，能级间隔逐渐减校2.2室温铯原子气室中的nP3/2里德堡态激发由二能级原子与光场相互作用得到的Rabi频率表达式[30]：021Exe(2-4)光与原子的相互作用强度主要取决于原子1态到2态的跃迁矩阵元21x以及光场的强度E02，对于里德堡态来说，由于基态到里德堡态的跃迁矩阵元较小，高激发里德堡态的单光子激发跃迁概率低；同时由于高激发里德堡态的能级间隔很小，自然线宽窄，因此实验中我们自制了一套高功率、窄线宽、频率可连续调谐的紫外激光系统[31,32]用于实现里德堡的单光子制备。而即使采用很高功率的激发光进
【参考文献】：
期刊论文
[1]Stable continuous-wave single-frequency intracavity frequency-doubled laser with intensity noise suppressed in audio frequency region[J]. 高英豪,李渊骥,冯晋霞,张宽收. Chinese Physics B. 2019(09)
[2]瓦级319 nm单频连续紫外激光的实现及铯原子单光子Rydberg激发[J]. 王军民,白建东,王杰英,刘硕,杨保东,何军. 中国光学. 2019(04)
[3]铯原子nP3/2（n=70—94）里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量[J]. 刘硕,白建东,王杰英,何军,王军民. 物理学报. 2019(07)
[4]基于声光频移器反馈控制的397.5 nm紫外激光功率稳定研究[J]. 白乐乐,温馨,杨煜林,刘金玉,何军,王军民. 中国激光. 2018(10)
[5]弱射频场中Rydberg原子的电磁感应透明[J]. 杨智伟,焦月春,韩小萱,赵建明,贾锁堂. 物理学报. 2017(09)
[6]量子光力系统中激光额外噪声的高效抑制（英文）[J]. 张新艳,李宗阳,李永民. 光子学报. 2015(08)
[7]铯原子里德堡态Stark能量及电偶极矩的测量和理论计算[J]. 李昌勇,张临杰,赵建明,贾锁堂. 物理学报. 2012(16)
[8]碱原子高里德堡态的极化率[J]. 何兴虹,李白文,张承修. 物理学报. 1989(10)
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