基于里德堡原子电磁诱导透明效应的光脉冲减速

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光与物质相互作用产生的量子相干效应一直是原子与分子光物理领域备受科学家关注的研究热点,其中电磁诱导透明效应(Electromagnetically Induced Transparency,简称EIT)在光与原子相互作用中扮演着重要的角色。当发生电磁诱导透明效应时,介质对光的吸收被极大地削弱,同时色散特性得到极大的增强,因此EIT效应在光速减慢、光量子信息存储、光子纠缠、全光信息处理、相干系统增强非线性等领域有巨大的研究和应用价值。近年来,里德堡(Rydberg)原子由于其长寿命、大极化率以及原子之间很强的长程相互作用等新奇的物理特性,激起了人们浓厚的研究兴趣。Rydberg原子这些奇特的性质使得其成为了量子工程的理想基石。例如,Rydberg原子EIT的实验实现为非线性相互作用以及原子与分子光物理等领域提供了崭新的平台,以里德堡原子为基础的EIT效应在微波电场测量、量子调控与精密测量、量子存储、单光子源以及量子纠缠等方面都有重要应用。本文主要介绍基于里德堡原子电磁诱导透明效应所进行的实验,利用EIT效应强色散高透射的特性,成功地观察到了对探测光脉冲减速现象,探究了耦合光功率与原子气室温度对延迟时间的影响,实验结果与理论模拟相吻合。主要从以下几个方面展开介绍:一、介绍了Rydberg原子的主要特性、EIT效应的应用以及发展背景、光脉冲减速的研究进展,强调了Rydberg-EIT在量子光学领域的重要地位,通过光速减慢的现状进一步探究了基于Rydberg原子EIT效应实现光脉冲减速的可能性。二、主要介绍了基于Rydberg原子EIT效应的光脉冲减速相关的主要理论基础。首先从光学布洛赫方程和麦克斯韦方程出发,对二能级与三能级系统下介质的吸收和色散曲线进行了理论模拟;其次介绍了光减速过程中相速度和群速度的概念以及实现光速减慢的关键;最后得到高斯脉冲光在EIT介质中的传播特性,为实验测量提供模型以及参考。三、介绍了里德堡EIT实验平台的搭建以及光减速效应实验装置。里德堡EIT实验平台的搭建主要介绍了激光系统以及实验过程中涉及到的PDH稳频技术;对光减速效应实验,分析了我们的实验需求,介绍了主要的实验装置设备。四、介绍了基于Rydberg原子EIT效应的光脉冲减速实验过程、实验结果,将实验结果与理论模拟相比对并进行了误差分析。首先我们对电磁诱导透明窗口的宽度与透射峰高和耦合光功率的关系进行探究;其次是在双光子共振条件下,通过改变耦合光功率与原子气室温度,观察到了光脉冲减速时延迟时间的变化;最后对可能会影响实验结果的因素进行了误差分析。本文的创新之处:1.将激光器频率锁定在超稳腔上实现了Rydberg两步激发光的相干锁定,激光线宽小于100Hz,减小了激光器相位噪声带来的影响。2.利用Sim960反馈控制系统实现了激光器的功率稳定,功率稳定度提高了一个量级。3.基于里德堡阶梯型三能级系统中的电磁诱导透明效应,研究了调控耦合光功率和原子气室温度时对光脉冲减速过程中延迟时间的影响,对更进一步利用光脉冲减速技术进行微波电场测量的实验研究提供了理论和实验指导。
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