外磁场中铷原子电磁感应透明效应的实验研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yesw04
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研究光与物质相互作用规律及效应是当代物理学以及材料科学研究的基本内容,其中电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)在光存储、精密测量、磁力计和原子钟等方面具有极大的应用价值而受到广泛的关注。EIT是光与物质相互作用表现出来的一种非线性效应,如介质透射性升高、色散性增强和非线性效应变大。另一方面,里德堡原子拥有许多不同于普通原子的独特属性,如大的原子半径和电偶极矩及极化率,原子之间的偶极相互作用较强,容易受外场操控,在量子存储、量子计算等方面具有重要的研究意义和应用价值。本论文采用双光子共振技术将原子激发到里德堡态,形成阶梯型EIT系统,研究室温下里德堡铷原子在外磁场中的非线性光学特性及高分辨分裂光谱。论文的主要研究内容如下:(1)研究了零场下铷原子D2线Λ-型电磁感应透明现象。实验测量了零场下的铷原子D2线基态(5S1/2)与低激发态(5P3/2)构成的多能级体系中Λ-型电磁感应透明的线性与非线性光学特性,利用谱线分解和合成技术研究了复杂多能级体系室温原子的多普勒速度选择效应。考虑这些物理效应,我们的理论能高精度复现实验观测结果。(2)研究了铷原子D2线Λ-型EIT构型下原子的外磁场效应。首先研究了填充缓冲气体对Λ-型EIT多能级谱线的影响,选择合适的气压我们完全消除了由于速度选择效应而产生的共振峰,进而获得只与基态相关的高分辨率EIT光谱。在此基础上,我们测量了铷原子在外磁场中的高分辨塞曼分裂谱,并研究了磁场方向与光传播方向平行、正交或成任意夹角等不同激发构型对原子测量谱线的影响。基于EIT色散理论和塞曼磁场相互作用哈密顿量,我们构建了谱线模拟模型,模拟结果能完全解释实验观测结果。(3)研究了铷原子在基态-第一激发态-高里德堡态梯型EIT构型下的原子外磁场效应。采用双光子共振技术将铷原子激发到里高德堡态,即5S1/2?5P3/2?nS/nD,获得了线宽为3 MHz的高分辨率实验谱,由此获得高里德堡态原子的精细能级结构。随后我们分别测量了高里德堡态nS和nD态原子在外磁场中的能级分裂谱,并研究了探测光和耦合光不同偏振组合和不同磁场大小下的Rydberg EIT分裂谱。由于参与跃迁能级众多、波长不匹配等原因,谱线分裂非常复杂。我们提出了将能级分裂和EIT色散相结合的理论方案,即通过求解包含磁场相互作用的哈密顿方程给出了分裂峰的频谱位置和强度,结合EIT色散理论合成光谱曲线,很好地解释了实验中观测到的EIT分裂谱以及额外的磁场诱导产生的态混合谱线。本论文结合EIT技术研究了铷原子高里德堡态在外场中的分裂谱,我们下一步将结合电磁感应透明技术研究里德堡原子系综的偶极阻塞效应,实现对原子量子态的操控,推动全光量子器件的研究。
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