光和原子系综相互作用时,由于原子的集体增强效应,可以产生很强的原子自旋波。原子自旋波相干性强、自由维度多,是良好的信息载体,再加上原子特有的长时间信息存储特性,使得原子自旋波在量子信息、量子精密测量和量子计算等领域都有着广泛的应用。实际应用过程中的激光频率展宽、光模式不匹配以及外界杂散磁场对原子的干扰等因素,都会影响到原子系统的性能,比如导致量子态转换效率低、相干时间短等问题,进而限制了原子系统的实用化发展。量子控制技术通过对光和原子以及相互作用过程进行调控,可以有效提高系统的量子特性。本论文以热铷原子系综中拉曼散射为主要研究方法,利用量子调控技术对拉曼散射中的激光频率、时间模式、空间模式以及原子系统的退相干效应等问题进行控制与优化,具体如下:1.在激光驱动原子跃迁的光学实验中,为了能与原子能级匹配,往往要求激光具有很好的单模性和频率稳定性。利用非线性光学过程和激光锁频技术可以控制激光的频率和线宽。通过将LBO非线性晶体放置在环形腔中,从1540 nm的基频光源制备出了770 nm的倍频光,并通过激光锁定技术,采用同时调制激光器和倍频腔的方法,将倍频激光线宽优化至25 k Hz量级,其性能达到了光与原子拉曼散射的实验要求。2.对光-原子相互作用中的空间模式和时间模式进行优化控制,提高量子态转化效率。首先,通过相干反馈控制技术提高读光和原子自旋波的空间模式匹配,对原子自旋波的空间模式进行提纯,得到近乎TEM00模式的反斯托克斯信号光场,将原子自旋波到光场的转化效率提高到88%;另外,通过调控写光的时间模式,用远失谐拉曼散射的方法,在信号带宽约为100 MHz的情况下,实现了存储效率为82%、单光子级别保真度为98%的量子存储。3.在远失谐的拉曼散射系统中,对激发态做绝热消去处理,利用磁子能级间不同拉曼通道的量子干涉效应,得到了控制基态原子自旋转动的等效哈密顿量,通过改变拉曼光的失谐和拉比频率等条件,可实现原子自旋态沿任意方向旋转任意角度的操作。根据拉曼散射构建的等效哈密顿量,设计了一套调控原子自旋的全光动力学去耦时序,同时消除原子自旋的多个退相干效应,从而延长了原子自旋的相干时间。