1、.基于原子系綜的高分辨光譜和大失諧Raman存儲(chǔ)研究【摘要】：遠(yuǎn)距離量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)以及分布量子計(jì)算等均依賴于量子中繼的實(shí)現(xiàn),而量子中繼的基礎(chǔ)則是量子存儲(chǔ)。目前,量子存儲(chǔ)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,除上述應(yīng)用外,還包括基于量子存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)光子對(duì)以及觸發(fā)式單光子源的產(chǎn)生、無漏洞貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及可以突破經(jīng)典極限的精密測(cè)量等。原子系綜由于存在集體激發(fā)增強(qiáng)效應(yīng)和多種延長自旋波退相干時(shí)間的技術(shù)而成為實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)的理想選擇。一個(gè)好的量子存儲(chǔ)器意味著它可以長壽命地儲(chǔ)存光子或光場(chǎng)的非經(jīng)典特性及量子糾纏,因而它可以視為一種可以增強(qiáng)精度和靈敏度的糾纏源。人們利用原子系綜可以顯著增強(qiáng)弱光與原子之間的耦合的特性

2、,通過探測(cè)外部微擾對(duì)其影響,使得測(cè)量精度甚至可以達(dá)到甚至超越散粒噪聲的極限水平。上述過程是建立在激光與原子相互作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這往往又得益于激光技術(shù)的發(fā)展和對(duì)原子內(nèi)、外態(tài)的控制和研究。利用原子系綜的高分辨光譜,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)量和研究,這將有助于我們選擇合適的原子能級(jí)以提高激光光譜的測(cè)量精度和分辨率。同時(shí),高分辨激光光譜還可以作為頻率參考標(biāo)準(zhǔn)用于量子存儲(chǔ)、量子信息等過程中的原子能級(jí)的識(shí)別、激光頻率的鎖定以及原子態(tài)的制備和探測(cè)等。本文的主要內(nèi)容就是圍繞原子系綜內(nèi)的高分辨光譜以及大失諧Raman存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)展開的。原子系綜內(nèi)多種方案的量子存儲(chǔ)(如基于電磁誘導(dǎo)透明(EIT)以及基于大

3、失諧Raman散射)本質(zhì)上都是得益于原子系綜的相干效應(yīng)。實(shí)際上,利用原子的相干效應(yīng)還可以進(jìn)一步提高激光光譜的分辨率和信噪比等。同時(shí),利用原子相干效應(yīng)導(dǎo)致的高分辨激光光譜(如CPT信號(hào))還可以對(duì)激光系統(tǒng)的位相相干性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。本文的部分內(nèi)容就是在上述這些方面開展的。完成的主要工作如下：1.通過對(duì)速度選擇光抽運(yùn)光譜的改造,在V型原子能級(jí)系統(tǒng)中獲得了一種具有背景平整、高信噪比、窄線寬、消交叉共振吸收峰等優(yōu)點(diǎn)的單共振光抽運(yùn)光譜(SROP),并利用獲得的銫原子D1線和D2線的SROP光譜對(duì)氣室熱原子基態(tài)綴飾分裂進(jìn)行了探測(cè)；2.在室溫銫原子氣室內(nèi),實(shí)驗(yàn)上觀察到了階梯型能級(jí)中的雙共振光抽運(yùn)光譜(DROP

4、),并將其應(yīng)用到了激光穩(wěn)頻以及原子能級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)量等方面。通過與階梯型原子能級(jí)結(jié)構(gòu)中的EIT進(jìn)行對(duì)比,分析了原子相干效應(yīng)對(duì)DROP光譜的影響；3.采用光學(xué)注入鎖定的方法,自制了兩臺(tái)位相鎖定且頻差可精確調(diào)諧至銫原子基態(tài)超精細(xì)分裂間距(9.19263177GHz)的雙色DFB半導(dǎo)體激光系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)在銫原子系綜內(nèi)獲得的高分辨的相干布居俘獲的CPT光譜信號(hào)(CPT信號(hào)線寬約12.3kHz),我們驗(yàn)證了該激光系統(tǒng)的兩個(gè)DFB半導(dǎo)體激光之間的位相相干性；4.利用上述位相鎖定的半導(dǎo)體激光系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了相干光在銫原子氣室中的大失諧Raman存儲(chǔ),目前獲得的最大存儲(chǔ)帶寬約20MHz,最高總存儲(chǔ)效率約35%,最長存

5、儲(chǔ)時(shí)間約為1s。實(shí)驗(yàn)中還研究了脈沖形狀、脈沖參數(shù)、原子系綜溫度等對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間及存儲(chǔ)效率的影響,部分結(jié)果驗(yàn)證了已發(fā)表文獻(xiàn)中的理論研究結(jié)果。同時(shí),還分析了目前影響存儲(chǔ)帶寬和存儲(chǔ)時(shí)間的因素。目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于加深我們對(duì)大失諧Raman存儲(chǔ)的理解,這為進(jìn)一步提高其性能并將其應(yīng)用于單原子-單光子的量子存儲(chǔ)、非經(jīng)典光源的量子存儲(chǔ)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；5.為了進(jìn)一步延長存儲(chǔ)時(shí)間和提高存儲(chǔ)效率,我們計(jì)劃將來在冷原子中進(jìn)行大失諧Raman存儲(chǔ)。為此,采用光學(xué)注入鎖定的方法實(shí)現(xiàn)了與主激光器輸出特性相同的兩臺(tái)DFB激光器。將上述三臺(tái)激光器分別作為磁光阱的冷卻光,從而達(dá)到增加MOT的冷卻光強(qiáng)的目的。同時(shí),冷卻光的光束直徑經(jīng)

6、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束以增加冷原子的俘獲X圍。通過對(duì)MOT的上述改造后,獲得了較高光學(xué)厚度的冷原子介質(zhì)。采用逐點(diǎn)測(cè)量吸收的方法,測(cè)得了冷原子的光學(xué)厚度；6.實(shí)驗(yàn)獲得了磁光阱內(nèi)冷原子激發(fā)態(tài)的高分辨吸收光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這種光譜不僅可以用于研究原子激發(fā)態(tài)的綴飾分裂,而且可以發(fā)展為一種測(cè)量MOT內(nèi)冷卻光對(duì)冷原子的有效Rabi頻率的方法?！娟P(guān)鍵詞】：原子系綜高分辨激光光譜單共振光抽運(yùn)光譜雙共振光抽運(yùn)光譜大失諧Raman存儲(chǔ)光學(xué)注入鎖定磁光阱光學(xué)厚度【學(xué)位授予單位】：XX大學(xué)【學(xué)位級(jí)別】：博士【學(xué)位授予年份】：2013【分類號(hào)】：O431.2【目錄】：中文摘要9-11ABSTRACT11-14第一章引言14-

7、321.1原子系綜簡介14-171.2原子系綜的高分辨光譜17-221.2.1飽和吸收光譜(SAS)17-201.2.2速度選擇光抽運(yùn)光譜(VSOP)20-221.3基于原子系綜的大失諧Raman存儲(chǔ)22-301.3.1Raman散射過程22-251.3.2原子系綜的集體增強(qiáng)效應(yīng)25-301.4本文主要內(nèi)容30-32第二章熱原子系綜的單共振及雙共振光抽運(yùn)光譜32-502.1背景介紹322.2階梯型系統(tǒng)中的雙共振光抽運(yùn)光譜(DROP)32-402.2.1DROP光譜的實(shí)現(xiàn)32-352.2.2階梯型系統(tǒng)中的原子相干效應(yīng)35-372.2.3DROP光譜的應(yīng)用37-402.3單共振光抽運(yùn)光譜(SROP

8、)40-492.3.1SROP光譜簡介40-422.3.2SROP光譜過程分析42-432.3.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)43-442.3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用44-492.4本章小結(jié)49-50第三章冷原子系綜的激發(fā)態(tài)光譜50-583.1背景介紹503.2磁光阱中銫原子激發(fā)態(tài)吸收光譜及其應(yīng)用50-573.2.1磁光阱中銫原子激發(fā)態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置51-533.2.2銫冷原子激發(fā)態(tài)吸收光譜中的Autler-Townes分裂53-573.3本章小結(jié)57-58第四章基于室溫下銫原子系綜的大失諧Raman存儲(chǔ)研究58-864.1量子存儲(chǔ)簡介58-604.2大失諧Raman存儲(chǔ)過程分析60-624.3用于大失諧Raman存

9、儲(chǔ)的激光系統(tǒng)研制62-734.3.1中等激光功率輸出且位相鎖定的大頻差雙色激光系統(tǒng)62-694.3.2高光學(xué)厚度的熱原子系綜69-714.3.3脈沖激光的產(chǎn)生方案71-734.4大失諧Raman存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究73-834.4.1大失諧Raman存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)73-754.4.2大失諧Raman存儲(chǔ)與讀取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果75-764.4.3原子系綜的溫度對(duì)大失諧Raman存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響76-774.4.4光強(qiáng)對(duì)大失諧Raman存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響77-804.4.5Read光脈沖對(duì)讀出信號(hào)的影響80-814.4.6大失諧Raman存儲(chǔ)中的存儲(chǔ)時(shí)間測(cè)量81-834.5本章小結(jié)83-86第五章用于實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)的高光學(xué)厚度冷原子系綜的制備86-1045.1冷原子系綜的量子存儲(chǔ)簡介86-885.2高光學(xué)厚度冷原子系綜的制備88-975.2.1磁光阱中冷原子光學(xué)厚度的制約因素88-915.2.2磁光阱中高光學(xué)厚度冷原子系綜的制備91-975.3冷原子系綜光學(xué)厚度的測(cè)量97-1025