（光学专业论文）铷原子双共振光抽运光谱及其应用.pdf

摘要 v 铷原子双共振光抽运光谱及其应用铷原子双共振光抽运光谱及其应用 高静高静 (量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学光电研究所) 指导教师: 王军民王军民 教授教授 (量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学光电研究所) 摘 要 原子激发态间的光谱具有无多普勒展宽的优点，不仅在精密测量、多光子激光 冷却与俘获等领域具有重要作用，而且对一些实用化的二级频率标准的研究发展也 具有重要意义。但通常情况下，由于原子遵循玻尔兹曼分布，原子在激发态的布居 数极少。传统光学双共振(oodr: optical-optical double resonance)技术是获得原子 激发态间光谱的有力工具，在理论和实验方面均早已得到深入研究和广泛应用。但 在某些原子体系中，由于中间态的自发辐射率较大，致使谱线的信噪比较低。而新 型的双共振光抽运 (drop: double-resonance optical pumping)技术，是通过探测基 态原子布居数在双光子光抽运条件下的变化来反映激发态间的跃迁光谱，与 oodr 相比具有平坦的背景和高分辨率的优点。本文主要对以下几个方面进行了研究： （1）对铷原子3 2325/2 54d (4d )p 的 drop 光谱和 oodr 光谱进行了实验研究对 比，获得了高分辨的激发态间的光谱。 （2）研究了光场偏振组态、功率、光路调整状态（同向和相向）对 drop 光谱 特性的影响。在此基础上，选择了合适的实验参数来获得高信噪比、窄线宽的 87 3 2325/2 rb 54d (4d )p 间的 drop 谱线。 （3）利用激发态 87 3 23 2 rb 5(3) 4d (3)pff 的跃迁线对 1529nm 的光栅外腔半 导体激光器进行了无频率调制激光稳频。当采用抽运光和探测光相向传输情况下的 drop 光谱技术对激光器锁频后，300 s 典型的残余频率起伏约为 650khz，与同向传 输情况下的 oodr 光谱及 drop 光谱稳频相比， 激光器的频率起伏有了显著的改善。 探索建立一种可用于密集波分复用系统（dwdm: dense wavelength division multiplexing）光纤通讯c波段196thz附近的频率标准,可望用于 dwdm 信道的校准。 （4）铷原子激发态间的超精细结构分裂一般很小，使得采用普通的光谱学技术 很难进行精确测量。我们在获得高信噪比、窄线宽的 drop 光谱的基础上，采用比 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 vi 较简单的系统对铷原子激发态超精细分裂进行测量：采用集成波导位相型电光调制， 结合光学腔频谱分析测量3 25/2 4d4d和 激发态超精细分裂。 关键词：关键词：激发态间的光谱：光学双共振(oodr)；双共振光抽运 (drop)；激光稳频； 原子激发态超精细分裂的测量 abstract vii double-resonance optical-pumping spectroscopy of rubidium atoms and its application jing gao (state key laboratory of quantum optics and quantum optics devices, and institute of opto-electronics, shanxi university) advisor: prof. junmin wang (state key laboratory of quantum optics and quantum optics devices, and institute of opto-electronics, shanxi university) abstract doppler-free laser spectroscopy for the transitions between atomic excited states, not just plays an important role in the field of high-resolution spectroscopy, multi-photon laser cooling and trapping of atoms, but also has great significance for the research of practical second-order frequency standards. but it difficult to acquire a laser spectrum in the transition between atomic excited states due to the lower thermal equilibrium population in excited states. the optical-optical double-resonance (oodr) method as a sophisticated technique has been widely utilized to approach a spectrum for transitions between atomic excited states; it has been widely studied and used in many theoretical and experimental researchers. however, the signal-to-noise ratio (snr) of oodr spectrum is inadequate in atomic system with large spontaneous emission rates, which hampers its development. the main idea of drop, a novel optical pumping spectroscopic technique, is to monitor the population of the atomic ground state under the condition of two-photon and optical pumping instead of the excited state. compared with the traditional oodr spectrum, double-resonance optical-pumping (drop) spectrum has advantage in flat base line and high-resolution spectrum. this paper focuses on the following aspects for research. in order to get the high-resolution spectra of excited states for 87 3 2325/2 rb 54d (4d )p transition, we investigated and comparable the spectra 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 viii for 87 3 2325/2 rb 54d (4d )p transition by use of the drop and oodr techniques. the influence of polarization combination, the laser power, and the alignment of coupling and probe laser beams (co-propagating and counter-propagating configurations) on the properties of drop spectrum was discussed. on this basis, high-snr and narrow line-width drop spectra of 87 3 2325/2 rb 54d (4d )p transition is achieved under a proper condition. the frequency of a 1529nm external- cavity diode laser (ecdl) is locked to 3 23 2 5(3)4d(3)pffhyperfine transition by modulation-free frequency. when using drop technique of counter-propagating configuration which coupling and probe laser beams counter-propagate along the rb vapor cell. the result of residual frequency jitter after being locked is 650 khz within 300 s. this result is clearly much better than that in case of frequency stabilization by using oodr and drop techniques of co-propagating configuration. we explore to establish a frequency reference in the vicinity of 196thz which belong to c-band of dense wavelength division multiplexing (dwdm) systems of optical telecommunication, which is expected to calibrate the optical channels. its difficult to measure hyperfine splitting of excited states of rubidium atoms by using common spectroscopic technology due to its hyperfine splitting are usually small. on the basis of obtaining a high snr and narrow line-width drop spectra, employing the integrated guided-wave phase-type electro-optic modulator (eom) and the spectral analysis technique of optical cavity, the hyperfine splitting of 3 2 4d and 5 2 4d states are measured precisely. keywords: spectra for transitions between atomic excited states; double-resonance optical pumping (drop); optical-optical double resonance (oodr); laser frequency stabilization; measurement of hyperfine splitting of atomic excited states 承诺书 - 53 - 承诺书承诺书 本人在此郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成的，学位论 文的知识产权属于山西大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相 关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包 括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 本人在此郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成的，学位论 文的知识产权属于山西大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相 关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包 括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 作者签名：作者签名： 2011 年年 5 月月 24 日日 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 54 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可 以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意山西大学可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可 以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意山西大学可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名：作者签名： 导师签名：导师签名： 2011 年年 5 月月 24 日日 第一章 绪论 1 第一章 绪论 光谱学是研究光和物质之间相互作用的学科，它的发展正在推动一大批基础学 科和前沿交叉学科的发展。物理学中一些重大的进展，许多是由于理论和实验结果 之间的微小差别的发现而引起的，高分辨光谱在这方面作出了重要贡献。激光的出 现，将光谱的分辨率提高了几个数量级；量子光学的发展，促使人们利用量子相干 效应使光谱的分辨率得到进一步提高1-2；激光冷却与俘获的超冷原子样品的实现， 则为高分辨光谱的提供了更好的物质基础3-5，人们可在更新的高度上揭示微观世界 规律。高分辨光谱科学与技术是发展重要前沿科学和高新技术的基点和关键，在当 代一些重要高技术领域中, 有着不可替代的强大推动作用，如在信息高速公路、更高 精度的下一代光钟以及全球定位系统等方面。 众所周知，精密测量的有效数字每提高一位，都有可能揭示新的物理效应或规 律，特别是在原子光谱学领域。光谱分辨率的提高使人们对原子能级结构的认识从 精细结构发展到超精细结构，以及在外磁场和电场作用下能级分裂更为精细的 zeeman 分裂或 stark 分裂。以往许多物理学家正是基于在原子结构方面的研究及理 论解释而被授予诺贝尔奖。早期原子光谱的研究工作受到光谱仪的分辨本领的限制， 使用了迈克耳孙干涉仪及法布里珀罗干涉仪等仪器后，光波波长的测量精度得到 了有效的提高。但它对于间距靠得很近的光谱线仍是分辨不开的，这并不是因为干 涉仪的性能不够完善和精密,而是因为谱线的宽度掩盖了它的精细结构。自激光器作 为光谱学研究的工具以来，激光光谱技术得到了很快的发展，这种技术的成效之一 就是显著地提高了光谱的分辨率。目前已经发展了多种亚多普勒光谱技术，有效地 消除谱线的多普勒增宽，如饱和吸收光谱6-7、偏振光谱技术8-10等。虽然饱和吸收 光谱是一种传统的有效的消多普勒展宽的技术，但其主要用于研究基态和激发态之 间的光谱。本文将进一步讨论激发态之间的亚多普勒光谱技术。如双光子光谱、光 学双共振光谱、双共振光抽运等。这些高分辨光谱在基础研究和实际应用中具有重 要的意义。一方面高分辨光谱配合光学频率梳等技术进一步精密地测量原子超精细 能级间隔、超精细结构常数，从而提供激发态能级结构等信息，不断拓展人们对微 观世界的认知。在实际应用方面，原子激发态之间的一些跃迁线正好落在光通讯波 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 2 段，特别是利用新型光学双共振光抽运获得的原子激发态谱线，它具有高信噪比， 窄线宽，无背景等优点，更适合提高激光频率的稳定度，因此可作为光通讯波段的 频率标准，有助于降低因信道间的串扰引起的误码问题。 1.1 激发态光谱 对于室温下气室中的碱金属原子，由于存在多普勒展宽而限制了光谱的分辨率。 目前已经发展了多种消除多普勒展宽的方法，如常见的饱和吸收光谱，偏振光谱等。 但上述几种无多普勒光谱的主要集中在基态与激发态之间。激发态之间的光谱具有 无多普勒展宽的优势，而且有些原子激发态之间的跃迁波长大于 1 微米，可以应用 于光通讯波段。但通常情况下，由于原子遵循玻尔兹曼热分布，原子在激发态的布 居数极少，需要通过光学激发将部分原子布居到中间激发态。本节主要介绍几种激 发态间的光谱，如光学-射频双共振、双光子光谱、光学双共振光谱等。 1.1.1 光学-射频双共振（optical-rf double-resonance） 光学-射频双共振光谱具有分辨率高，且不受多普勒展宽的限制的优点。因此它 可以测量到比多普勒展宽小的能级分裂。许多实验室应用光学-射频双共振技术来研 究原子的电偶极矩（磁偶极矩） 、超精细结构或塞曼分裂，以及确定原子或分子激发 态的朗德因子等。 图 1.1 光学-射频双共振技术示意图11 （a）实验装置（b）能级图（c）双共振信号 第一章 绪论 3 光学-射频双共振典型的实验装置图及相关的能级图如图 1.1 所示11-12。样品放 置于由流经线圈的射频电流产生的射频场中。在一台频率为 12的激光器的激发下， 布局在能级 e1的样品被光抽运到能级 e2上。当射频场谐调到与 23 跃迁共振时， 处于能级 e2的某些原子（或分子）就可能吸收射频光子而激发到能级 e3上。23 的跃迁可由荧光强度 ifl（3m）的增加来监察。如图（c）给出了测得的双共振信号 ifl（）随射频频率 rf变化曲线，其最大值在 23=（e3-e2）/h 处。如上所述，这种 技术通过光子的发射观察射频光子的吸收（样品在吸收一个射频光子而产生了一个 荧光光子） ，它产生 3m/23的内禀能量放大，这种能量放大表现为可见光子的探测 效率远高于射频量子的探测效率。 光学-射频双共振技术的主要优点在于光谱分辨率高， 且不受多普勒展宽的限制。 因为多普勒展宽可表示为： 7 d 7 10t/m (1.1) 因此射频跃迁的多普勒宽度减小为光学跃迁的 2312 /。 这使得同其它增宽机制相 比（如碰撞展宽，饱和展宽等） ，双共振信号的剩余多普勒线宽可忽略不计。当不存 在这些附加的谱线增宽时， 双共振信号的半宽度基本由能级 e2和 e3对应的能级宽度 决定。关系式为 23n23 e / hee/ h (1.2) 其中，en 与自发辐射寿命 t 的关系式为 n eh /t (1.3) 光学-射频双共振技术的测试精度主要由双共振信号的信噪比决定。 1.1.2 双光子光谱（two-photon spectroscopy） 双光子光谱与饱和光谱的实验装置非常相似，都是采用相向传输的激光束作用 于样品原子， 如图 1.2 所示13-14。 但这两种无多普勒光谱技术的基本原理却大相径庭。 饱和吸收光谱是基于原子跃迁的速度选择光抽运效应。而双光子光谱并不需要对样 品进行速度筛选，它是原子同时吸收两光子来驱动自身的跃迁，其共振条件为： fi12 e -e （+） (1.4) 假设激光频率为l，原子相对于实验室参考系以速度 运动;那么以运动原子为 参考系时，由于多普勒效应，激光束的频率频移到： ll k (1.5) 而共振条件则变为： 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 4 fil1l21212 e -ekk / =（+）=（）（） (1.6) 如果这两光子分别来源于两束频率相等但传播方向相反的激光时（即 1=2 ， 12 kk ），双光子跃迁的多普勒频移为零。这意味着一切原子无论其速度如何，都在 和频 12 2处吸收。 图 1.2 无多普勒双光子光谱实验装置及能级图13 图 1.2 是观察无多普勒双光子吸收的典型实验装置： 两个相向传输的激光束由单 模可调谐染料激光器的输出束的反射形成。法拉第旋转器可防止激光反馈。双光子 吸收由终态 ef至初态 ei或至其它态 em发射的荧光监察。双光子吸收的概率正比于 激光的功率密度及气室中原子的数密度。因此在实验上，通常将激光束经合适的透 镜聚焦之后作用于样品原子，同时还对气室加热，以增大气泡中原子的数密度。 2005年，olson小组采用778.1nm的单模光栅外腔半导体激光器观察了铷原子 5s1/25d5/2跃迁的双光子光谱 （注意原子实际的能级间隔是图1.4对应的频率间隔的2 倍） 14。与实验相关的能级示意图如图1.3所示。当处于基态5s1/2的铷原子同时吸收 两个频率相等但方向相反的778.1nm的光子后，就会被激发到激发态5d5/2，随后通过 5d6p5s等通道自发辐射回到基态5s1/2。通过观测6p5s自发辐射的420nm荧光 信号，就以可获得铷原子激发态的超精细结构信息，如图1.4所示。 第一章 绪论 5 图 1.3 相关的铷原子超精细能级图14 图 1.4（a）铷原子的超精细光谱图14 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 6 图 1.4（b）铷原子的超精细光谱放大图14 1.1.3 光学双共振（optical-optical double resonance） 双共振与双光子过程似乎类似，但事实并非如此。在双共振中，中间激发态是 原子的一个能量本征态，即一个实际存在的能级，而在双光子激发中，中间能级一 般并不存在，若中间能级确实是一个实能级，那么这种双光子激发有很高的跃迁几 率。 光学双共振是基于三能级原子与两个激光场同时共振的方法，是一种速度选择 光谱。在热平衡情况下，原子遵循玻尔兹曼分布，绝大部分原子布居在基态，借助 于工作在基态和中间激发态跃迁线处的激光场，使特定速度群的原子布居于中间激 发态，然后通过工作在中间激发态与更高激发态跃迁线处的探测激光进一步将原子 布居到更高的激发态，通过监测吸收或荧光信号获得激发态间的光谱。因此，光学 双共振谱的基本物理过程是双光子速度选择光抽运及自发辐射衰减，是一个非相干 过程。 2005 年， boucher 小组利用光学双共振技术观察了铷原子激发态 5p1/26s1/2跃 迁的光谱，并将其用于 1.3m dfb 激光器的稳频15。图 1.5(a)(b)所示为与实验相关 的装置图及能级图。实验中用到两台激光器，分别是作为泵浦光源 795nm 的半导体 激光器和作为探测光源 1324nm 的 dfb 激光器。这两束激光以非常小的夹角 （ 0.02rad）同向穿过一个温度控制在 70的铷泡。当 795nm 的激光器通过饱和吸收光 谱将其频率锁定于 87rb 的d1线， 而1324 nm的dfb激光器在外加三角波的扫描下， 第一章 绪论 7 频率在 5p1/2（f=1）- 6s1/2态之间进行扫描时，许多布居在基态 5s1/2（f=1）的原子 就会通过级联跃迁激发到 6s1/2（f=1， f=2） 。处于激发态的原子最终通过中间态自 发辐射回到基态。通过探测器 pd2 探测激发态原子布居数的变化，便可获得激发态 6s1/2的超精细光谱，如图 1.6(a)所示。图 1.6（b）所示的鉴频信号是其相应 oodr 谱线和 795 nm 激光器的调制信号通过锁相放大器 lock-in 相敏解调便可获得的。将 此鉴频信号通过电学反馈送到1324 nm激光器的压电陶瓷上实现1324nm激光器的稳 频。采用 oodr 谱实现频率锁定后，800 s 激光器的典型的频率起伏为400khz；而 自由运转时 800s 典型的频率漂移约为200 mhz（如图 1.7 所示） ，很显著地改善激 光频率的稳定度。 图 1.5（a）铷原子光学双共振（oodr）实验示意图15 图 1.5 （b）相关的铷原子超精细能级图15 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 8 图 1.6(a)铷原子 5p1/2(f=1)-6s1/2 (f=1, 2)超精细跃迁谱线(b)相应的鉴频信号15 图 1.7 1324nm 激光器自由运转及利用 oodr 光谱锁频后的频率起伏15 这种光谱方法，从理论和实验方面均已得到深入的研究，并得到广泛的应用.比 如：应用于原子激发态超精细分裂的测量及其超精细结构常数的确定，还应用于以 特定原子的特定激发态间的跃迁谱线作为激光频率参考等方面。 第一章 绪论 9 1.1.4 双共振光抽运 在某些自发辐射比较大的原子体系中，由于中间激发态难布局原子数，光学双共 振谱的信噪比较低。2004 年，韩国国立大学的 moon 小组在此基础上发展了新型的 双共振光抽运谱（drop：double-resonance optical pumping） ，提高了激发态光谱的 信噪比。我们以一个阶梯型五能级原子系统为例解释 drop 的工作原理，如图 1.8 所示， 1 g、 2 g为基态， 1 m、 2 m为中间态，激发态为e。l1 的激光束做为探 测光与 2 g- 2 m的跃迁共振， l2 的激光束做为泵浦在m-e之间扫描。 当两束激光 光场分别与相应的跃迁线同时共振时， 许多布居于基态 2 g的原子就会通过级联双光 子通道跃迁激发到e态，随后处于激发态的原子就可以通过中间态 1 m、 2 m通道 自发辐射回到基态 1 g，最终导致基态 2 g的原子布居数减少。此时探测激光 l1 获 得的是由于双共振光抽运导致原子吸收减弱的透射谱，即 drop 光谱。因此 drop 谱的基本物理过程是双光子速度选择和自发辐射过程，它是通过探测原子基态布居 数的变化而获得中间激发态与更高激发态间的跃迁谱线，因此具有高的信噪比、窄 线宽的优点。关于 drop 谱及相关的问题将在论文的第二章做较为系统的探讨。 图 1.8 阶梯型五能级原子系统25 1.2 激发态超精细分裂的测量 原子能级的超精细结构是由核外电子与原子核的磁偶极矩和电四极矩相互作用 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 10 引起的。因此这方面的研究可应提供原子核和原子结构两方面的信息，使人们对原 子结构有了一个全新的认识。利用高分辨光谱，以及配合精密的光学频率梳技术或 高精度的 f-p 腔等手段可用于超精细分裂、超精细结构常数测量等方面的工作。随 着光谱实验仪器的不断提高和光谱技术的不断发展，相信对原子光谱超精细结构的 认识还会不断向前迈进。 1.2.1 利用共焦 f-p 腔测量激发态的超精细分裂 共焦法布里-珀罗腔具有相等频率间隔的多个纵模的特点。当腔长固定后，同一 自由光谱区的两相邻透射峰间的间距也就固定，因此以两相邻透射峰为标尺可用于 谱线间隔的标定。2008 年，山西大学光电所杨保东等人采用一个腔长为 149mm、精 细度约 100 左右的共焦腔，辨认和测量了铯原子激发态 6p3/2和 8s1/2超精细分裂，并 在此基础上研究了超精细光谱中由于多普勒效应而造成的一些细微结构15-17。实验 装置及相应的能级结构如图 1.9 所示，实验采用 oodr 光谱技术获得了铯原子激发 态 6p3/2-8s1/2 超精细跃迁光谱。 共焦 f-p 腔的透射曲线是通过扫描光栅外腔半导体激 光器 ecdl2 的频率。这样可在一定程度上减小因扫描压电陶瓷所带来非线性效应， 提高测量精度。图 1.10 所示为以相邻透射峰间隔为标尺测量到的铯原子激发态 8s 的超精细分裂。 图 1.9(a)cs 133 原子 oodr 光谱实验装置示意图16 /2 ref cs cell pbs /2 pd1 pbs ecdl1:852nm ecdl2:795nm oi p-ilock-in-1 sin oi cs sas cfp /2 ref cs cell pbs /2 pd1 pbs ecdl1:852nm ecdl2:795nm oi p-ilock-in-1 sin oi cs sas cfp 第一章 绪论 11 图 1.9 （b）相关的cs 133 原子超精细能级图16 图 1.10 激发态 6p3/2-8s1/2 跃迁的 oodr 光谱及共焦 f-p 腔的透射曲线16 1.2.2 利用声光频移器 aom 测量激发态的超精细分裂 1995年，grove小组从理论和实验上对oodr光谱作了较为详细的研究，并利用 oodr光谱对铷原子激发态5d5/2态的超精细分裂及其精细结构常数进行测量和计算 17。实验中，将共振于5s1/2-5p3/2的780nm的激光束作为泵浦光，它将布居于5s1/2态、 相对泵浦光为零速度分量的原子激发到中间态5p3/2态，然后通过工作于5p3/2-5d5/2的 f = 4 f = 3 6 s1/2 6 p3/2 8 s1/2 251 mhz 201 mhz 151 mhz ecdl2794.6nm ecdl1852.3nm 876 mhz 9192.6mhz f = 3 f = 5 f = 4 f = 3 f = 4 f = 2 f = 4 f = 3 6 s1/2 6 p3/2 8 s1/2 251 mhz 201 mhz 151 mhz ecdl2794.6nm ecdl1852.3nm 876 mhz 9192.6mhz f = 3 f = 5 f = 4 f = 3 f = 4 f = 2 -600-400-2000200400600 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 f,=3 - f,=3 f,=4 - f,=4 f,=4 - f,=3 f,=3 - f,=4 magnitude of oodr (a.u.) l2 laser frequency (mhz) fsr 503mhz 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 12 776nm的激光束（作为探测光）将原子经一步激发到更高的激发态，最后通过监测吸 收信号获得激发态5d5/2的信息。在这种阶梯型原子系统中（如图1.11示），由于泵浦 光与探测光波长相近，采用泵浦光与探测光反向传输作用于样品原子时，两跃迁的 多普勒效应几乎可以相互抵消，这样使得更多速度分布的原子对信号有贡献，因此 相对于双光子光谱实验，泵浦光与探测光的功率不需要很大就可得到相对强的谱线， 在一定程度上避免了由于强光造成的ac stark 频移。为了标定超精细分裂，实验中 探测光通过一个40mhz的声光频移器aom，将其分解为零级光和一级衍射光，然后 再将这两束光在铷泡中合束并与泵浦光重叠，最后探测到的光谱是两套相同的谱线， 相对应的谱线之间的频率间隔都为40mhz。为了提高测量精度，实验中使用了相敏 检波技术对探测光进行频率调制解调，对应的一阶微分信号如图1.12所示。以对应谱 线间的频率间隔40mhz为标尺，对铷原子激发态5d5/2的谱线频率间隔进行标定，结 果如表1.1和1.2所示。用声光频移器测量超精细谱线之间的频率间隔，在一定程度上 可减小由于扫描776nm激光器的光栅外腔中的压电陶瓷而带来的非线性问题， 从而可 提高测量精度。 图 1.11 实验相关的铷原子能级图及实验光路示意图17 第一章 绪论 13 图 1.12 当 776nm 激光器扫描时获得的相关激发态超精细光谱17 表 1.1 铷原子激发态 5d5/2的超精细分裂17 表 1.2 铷原子 5d5/2态的超精细结构常数17 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 14 1.2.3 利用光频率梳测量测量激发态的超精细分裂 光频梳技术的发明给光学频率测量研究带来了革命性的突破。2005 年度 nobel 物理学奖一半授予美国国家标准技术研究院(nist)的 j. l. hall 教授和德国马普量子 光学研究所（mpq）的 t.w.hansch 教授，以表彰他们在超高精密测量领域做出的贡 献 （直接促进和推动光频率梳的诞生和发展） 。 光频率梳系统18-19可将全部可见-近红 外光波波段与铯钟微波频率直接联系起来，极大地简化了测量装置，扩大了测量范 围，大幅提高了测量准确度。 2007 年，lee20等人采用飞秒光频梳测量了铷原子 5s1/2 5p3/2和 5p3/2 - 4d5/2超 精细跃迁谱线的绝对频率，同时利用测得的数据计算出 4d5/2的超精细结构及其磁矩 常数 a 及电四极矩系数 b，其中电四极矩系数 b 是第一次得到精准确定。 图 1.13 是相关的实验装置示意图20 图 1.13 测量 87rb4d5/2 超精细结构绝对频率实验装置示意图。实验用光频率梳同 时测量了两台激光器的绝对频率，这样可以减小测量绝对频率时整体的不确定度。 780nm 的激光器通过饱和吸收光谱将其频率一直锁定于 87rb 的 d2 线。而 1529nm 激光器的稳频是通过双共振光抽运（drop）光谱技术获得激发态 5p3/2 (f=3) - 4d5/2 (f=2, 3, 4)超精细跃迁谱线（如图 1.14 所示） ，然后将其频率锁定到其中的一条跃迁 线上。两台激光器的输出光束分别通过一根 30m 长的单模光纤送到光频率梳进行频 率测量。此飞秒（fs：femtosecond）光频梳的激光器是一台中心波长 1550nm 的被动 第一章 绪论 15 锁模光纤飞秒激光器， 重复频率为 250mhz。 为了进一步扩展梳状频率列的覆盖范围， 这台光频率梳 fs 激光输出的脉冲一部分通过掺铒光纤放大器放大再引入一段高阶非 线性光纤（hnf：highly nonlinear fiber）, 光频梳覆盖范围 1050 - 2100nm。另一部分 fs 激光输出的脉冲通过掺铒光纤放大器放大再经过锂铌酸晶体 （ppnl： poled lithium niobate）倍频，最后引入一段晶体光子光纤（pcf：photonic crystal fiber） ，这是一个 近红外光频率梳，其光梳覆盖范围为 500nm-1000nm。为了稳定频率梳的频率，飞秒 激光的脉冲重复频率和偏置频率都锁定到氢原子钟微波频率。 780nm 激光器和 1529nm激光器分别与对应的梳状频率差拍,确定其绝对频率， 实验结果如表1.3所示。 最后利用测得的绝对频率计算出4d5/2的超精细结构及其磁矩常数a及电四极矩系数 b。其中磁矩常数 a 与以前的结果吻合(如表 1.3 所示)，而且不确定度降低 60 倍；更 重要的是电四极矩系数 b 首次被精准确定。 图 1.14（a）相关的铷原子能级跃迁图（b）铷原子 5p3/2 (f=3) - 4d5/2 (f=2, 3, 4)超精细跃 迁的 drop 光谱（c）与 drop 光谱对应的其微分信号20 表 1.3 铷原子 5p3/2 - 4d5/2和 5s1/2-4d5/2跃迁的绝对频率20 第二章 阶梯型系统中的光学双共振（oodr）和双共振光抽运（drop） 17 第二章 阶梯型系统中的光学双共振(oodr) 和双共振光抽运(drop) 原子激发态间的光谱具有无多普勒展宽的优点，不仅在精密测量19-20、多光子 激光冷却与俘获21等研究具有重要作用，而且对一些实用化的二级频率标准的发 展也具有重要意义。目前，阶梯型系统 5s1/2-5p3/2-4d3/2，5/2间的跃迁引起人们的重视。首 先铷原子激发态5p3/2-4d3/2，4d5/2的跃迁谱线波长为1529nm， 在光通讯密集波分复用 （dwdm： dense wavelength division multiplexing） 系统 c 波段 196thz 附近， 因此有望作为 1.5 微米光纤通讯波段的频率标准，用于校准通信信道，降低因信道间的串扰引起的误 码问题； 其次这个系统有望应用于量子信息网络。 铷原子跃迁波长为780nm的5s1/2-5p3/2 间的跃迁，可对 780nm 光子的量子比特进行存储；而 5p3/2-4d3/2，4d5/2间的跃迁波长为 1529nm，此波段的激光在光纤通讯中具有低损耗的特点，可用于1.5m 光子量子比特在 光纤网络中的传输。这两种波长的光子纠缠态会推进量子信息网络的发展22。 2.1 铷原子激发态 5p3/2-4d3/2(4d5/2)跃迁的光谱 光学双共振(oodr: optical-optical double resonance)技术是获得原子激发态间 光谱的有力工具15。但在某些原子体系中，由于中间态到基态的自发辐射率较大， 致使谱线信噪比较低，制约了其进一步的发展。而新型的双共振光抽运 (drop: double-resonance optical pumping)技术，是通过探测基态原子布居数在级联双光子 光抽运条件下的变化来反映激发态间的跃迁，具有高信噪比、窄线宽的优点23-24。 2.1.1 实验原理及实验装置 图 2.1 为与实验相关的 87rb 超精细能级示意图。这是一个阶梯型三能级系统， 其中基态为g(5s1/2)，中间态为m(5p3/2)，激发态e(4d3/2或 4d5/2)。gm和 me跃迁线的中心波长分别为 780.2 nm 和 1529.3 nm (1529.4nm)，自然线宽分 别约为 6 mhz 和 2 mhz。 实验装置如图 2.2 所示，780 nm 的光栅外腔半导体激光器（toptica dl100）采 用饱和吸收光谱将其频率锁定于 87rb 5s1/2 (f=2) 5p3/2 (f=3)循环跃迁线上。可调谐 铷原子双共振光抽运光谱及其应用 18 的窄线宽光栅外腔半导体激光器（new focus，调谐范围 1520-1570 nm）的波长在波 长计的协助下调节到 1529.3 nm 或 1529.4 nm。在外加三角波的扫描下，1529 nm 激 光器的频率在 5p3/2-4d3/2（4d5/2）态之间进行扫描。两束偏振方向相互垂直的激光束 通过直径为 1 mm 的小孔光阑与气室中的铷原子相互作用。 它们在光路中的重合和分 离是利用双色滤波片(df)实现的。drop 谱和 oodr 谱的实验装置基本相同，差别 在于 drop 光谱是以 780nm 的激光作为探测光，通过探测器(pd1)来探测g态原子 布居数的变化来反映激发态间的超精细跃迁；而 oodr 谱以 1529 nm 激光作为探测 光，用探测器(pd2)探测m态原子的吸收（m态和e态之间布居数差）来反映激 发态间超精细跃迁。铷泡放置在磁屏蔽介质中，以避免环境杂散磁场对光谱的影响。 图 2.1 87rb 原子 5s1/2 - 5p3/2 - 4d3/2 (4d5/2) 跃迁的能级示意图。 图 2.2 drop 和 oodr 光谱的实验装置示意图。 (ap: 光阑; bd：光束收集器；df: 双色镜; hv: 高压放大器; lock-in：锁相放大器; oi: 光 隔离器; pbs: 偏振分光棱镜; /2: 半波片; /4: 四分之一波片;pzt: 压电换能器; pi: 比例 积分放大; pd：光电探测器. 图中实线表示光路部分，虚线表示电路部分) f f f 1 3 4 25 0 . 2 m h z 2 5 . 1 m h z 1 2 0 5 p 1 /2s 1 2 5 / 2 4 d 7 5 . 3 m h z 3 1 3 4 2 1 2 0 5 p 1 /2 5s 1 2 5 / 2 4 d 4 1 5 2 9 .4 n m 2 6 7 . 1 m h z 1 5 7 . 2 m h z 7 2 . 3 m h z 3 3 . 8 m h z 5 0 . 7 m h z 6 7 . 6 m h z 6 8 3 4 . 7 m h z 3 d3 /2 3 /2 1 5 2 9 .3 n m f 7 8 0 .2 n m 1 2 0 3 1 2 0 3 8 7r b 780nmpbs 1529nm pd2 lock-in2lock-in2 rb sasrb sas pipi refref pipi apapapapapapapap lock-in1lock-in1sinsin refref 1529nmpbs df df 780nm pd1 lock -in2 lock -in2 rb sas rb sas pipi pipi apapapapapapapap bdbd lock-in1lock-in1sin sin triangletriangle wave oi oi 780nm ecdl780nm ecdl 1529nm ecdl1529nm ecdl rb cell 第二章 阶梯型系统中的光学双共振（oodr）和双共振光抽运（drop） 19 2.1.2 实验结果 图 2.3 所示为在同一实验装置中同时获得的铷原子激发态 5p3/2 - 4d3/2（4d5/2） 超精细跃迁谱线， 其中黑色曲线表示用 pd1 探测到的 drop 谱， 灰色曲线表示用 pd2 探测到的 oodr 谱。 图 2.3(a)呈现的是 87rb 5s1/2 - 5p3/2-4d3/2 跃迁的 drop 和 oodr 谱线。 此时 780 nm 激光 (p=100 w)的频率采用饱和吸收光谱锁定于 87rb 5s1/2 (f=2) 5p3/2 (f=3)循环跃迁线上；1529 nm 激光