里德堡原子的电磁感应透明及其应用研究

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电磁感应透明(electromagnetically induced transparency EIT)是光与物质相互作用中表现出来的一种特殊的非线性效应,是两束激光与原子共振作用时产生的量子相干效应。利用EIT效应可以实现光脉冲的减慢与储存,介质折射率增强,微波探测及单光子源的制备等。目前人们已经在不同介质中实现了 EIT,研究了 EIT效应随相干电磁场及系统参数变化的规律,揭示了量子相干的物理机制。由双光子激发与里德堡原子形成阶梯型三能级系统,里德堡原子的EIT效应成为近年来人们关注和研究的热点。里德堡原子是指外层电子被激发到主量子数(n)很高的激发态原子,可以视为原子实和一个外层电子构成的类氢原子。里德堡原子半径大(n*2,n*为有效主量子数),寿命长(n*3),相互作用强(n*11)等特性。因此由里德堡原子组成的量子体系具有较长的相干时间。里德堡原子能级间隔小(n*-3),处于射频波段,可以由射频场耦合里德堡原子,实现射频场对里德堡原子相互作用的调控,同时提供了一种测量微波场场强的新技术。本文以室温铯原子样品为研究对象,由铯原子的基态(6S1/2),激发态(6P3/2)和里德堡态(nS/nD)构建了阶梯型三能级系统,研究了里德堡原子EIT效应以及射频场与里德堡原子相互作用时的EIT光谱,获得了里德堡原子EIT的调制解调光谱,射频边带光谱以及射频双光子EIT-AT光谱,研究了里德堡EIT与射频场参数的依赖关系,提出了一种宽带自校准的射频场的精密测量方法。本文从以下三个方面研究了里德堡EIT效应。第一,研究了里德堡原子的调制解调EIT光谱。利用l10kHz的调制信号调制探测光的频率,利用调制解调技术获得EIT信号,研宄了调制激光频率和强度对EIT效应的影响。解调后的EIT光谱展宽并形成两个EIT峰,双峰间距与探测光频率调制幅度成正比,而与调制频率无关。并提出一种理论模型来解释实验结果,理论与实验测量相吻合。调制EIT光谱可应用于激光器的频率浮动的实时监测。第二,利用里德堡原子极化率大的特性,实验中研究了频率为40MHz-80MHz的强射频场(RF)作用下的EIT光谱。40MHz-80MHz的RF场调制里德堡能级,形成里德堡能级边带和EIT边带光谱。获得了里德堡原子的RF场边带EIT光谱与RF场频率和强度的关系。RF场使EIT信号发生频移,随着RF强度的增加产生边带光谱,在强场条件下,里德堡原子RF边带与相邻的多重态出现态混合效应和避免交叉效应,形成复杂的RF边带光谱。我们利用Floquet理论去模拟射频EIT光谱,与实验结果符合得很好。第三,利用16.9GHz的射频场(RF)耦合原子相邻里德堡态,并获得了里德堡原子的射频双光子光谱,测量了 RF射频场导致的EIT透明峰的分裂(射频AT分裂),研究了 RF射频场的功率和射频天线端口到样品池的距离对AT分裂的影响。得到射频场下的双光子EIT-AT分裂的宽度与射频场在原子与光的作用区域的场强成正比。该研究提供了一种射频场场强测量的新技术,实现射频场的强度宽带自校准的精密测量。本文的创新之处:1.搭建了室温下里德堡三能级系统,研究了调制探测激光的幅度对EIT谱的影响,随调制幅度的增加EIT分裂宽度增加,分裂宽度的一半与调制幅度呈线性关系,斜率为1.67,而与调制频率无关,与理论模拟一致。2.研究了在频率为40MHz-80MHz的射频场中,射频场对EIT光谱的影响,在施加正弦波射频场时观察到EIT红移和偶次谐波边带,在施加方波射频场时,EIT还出现了奇次谐波边带。与理论模拟一致3.在频率为16.9GHz的射频场中,研究了里德堡态射频双光子光谱,得到EIT-AT分裂宽度与射频场的强度成正比,得到理论验证。提出了一种宽带自校准的射频场的精密测量新方法和新技术。
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