基于腔增强的直接光梳光谱及其应用的研究

The phase-stabilized, wide-bandwidth frequency combs based on mode-locked femtosecond lasers has provided optical frequency markers that may be directly linked to optical or microwave standards. Many laboratories have since constructed frequency combs for a variety of exciting applications such as：measurements of absolute optical frequencies and precision laser spectroscopy, development of optical atomic clocks, optical frequency synthesis and broadband phase-coherent spectral generation, along with coherent synthesis of optical pulses, phase-sensitive extreme nonlinear optics and so on. Compared with the usual cavity enhanced spectroscopy with continuous light and broadband light absorption spectroscopy, this approach presents simultaneously the following attractive characteristics: The large spectral bandwidth allowing for the observation of global energy level structure of many different atomic and molecular species; High spectral resolution for the identification and quantitative analysis of individual spectral features; High sensitivity for detection of trace amounts of atoms or molecules and for recovery of weak spectral features and a fast spectral acquisition time, which takes advantage of high sensitivity for the study of dynamics. Because of its high sensitivity, cavity-enhanced Direct frequency comb spectroscopy is useful when investigating atomic and molecular systems that have weak oscillator strengths, or in cases where only a trace amount of the target atom or molecule is present.

飞秒光学频率梳输出的激光同时具有模式锁定的超短脉冲和极宽光谱范围的特性使其在绝对频率的测量、光钟的发展和超精密光谱的获得等前沿的物理学研究领域具有非常广阔的前景。本项目旨在通过理论模拟腔增强直接光梳光谱，获得所需高精细腔的具体实验参数，应用理论模拟获得的实验参数搭建相关高精细光学腔并有效耦合宽带激光进入光学腔，建立关于分子痕量探测和原子分子动力学研究的腔增强直接光梳光谱系统。当探测原子和分子的系统具有微弱的振动强度或者这些样品中只有目标原子与分子的痕量被测量时，这种高灵敏的腔增强直接光梳光谱技术具有不可替代的优势。腔增强直接光梳光谱技术具有的优点：极大的光谱带宽可以观测许多不同原子和分子种类的几乎全部能级结构信息；高的光谱解析率可以用于识别和定量分析单个光谱的信息；高的灵敏度可以用于原子与分子的痕量分析和恢复微弱光谱的特性及研究其动力学演化学特征。

飞秒光学频率梳输出激光的频谱范围极宽（包括从远红外到深紫外的几乎所有光谱范围）。在飞秒激光的整形中，一个重要的特点为两个独立的飞秒激光的相位相干。在最近国内外的研究中，超短脉冲被用来研究半导体中的相干量子控制与分子物理学里的热演化动力学。这些实验中都要对脉冲进行整形，以便于探测或者选择相关的动力学过程。飞秒激光的整形使得超短脉冲的相位和振幅可以被操控，我们利用速度选择双共振技术与脉冲整形技术研究了Rb的两种同位素87Rb和85Rb的直接光梳光谱，并且探究了其动力学演化过程。通过这两种技术的结合，可以有效消除Rb原子光谱的多普勒展宽与频移，获得高分辨光谱。通过对脉冲产生延迟，消除了同向双光子的速度选择双共振效应对光谱的影响，消除了99%的背景噪声，建立了结构简单可以长时间稳定运行的原子直接光梳光谱系统。我们利用宽带超短脉冲的相干叠加效应，增强了原子的布居数转移效率。相关成果发表于CHIN.PHYS.LETT. Vol. 33, No. 11 (2016) 113201。本项目为以后的超快与量子相干实验奠定了基础，为以后在冷原子系统中利用飞秒激光研究量子相干控制、超冷分子的动力学演化和受激拉曼跃迁提供了条件。相关技术获得专利授权：基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法CN201610018081.7，基于速度选择技术操控原子布居转移的装置及方法CN201610071986.0 。. 量子信息技术对于国家未来的发展十分重要，在未来国防与通讯方面有重要的应用。然而，量子信息技术中采用的激光会破坏原子分子结构的对称性，破坏量子信息中的相位，制约了量子信息技术的实际应用。我们设计了两束超快脉冲激光。第一束脉冲激光用来破坏原子分子的对称性。通过调节第二束激光的在阿秒尺度的延迟可以恢复原子分子的对称性,从而解决量子信息技术中的相位恢复问题。实验上，我们应用时间依赖的高对比度拉姆西相干光谱在87Rb原子中实现了对称性的恢复。相关成果发表于PRL 121, 173201 (2018)。