光抽运原子激发态精密谱研究及其在1.5微米光通讯波段激光稳频中的应用

高分辨精密谱的研究和发展，促进了人类对光与物质相互作用的认识，对原子分子物理（包括冷原子物理）、量子光学、量子计量、光通讯等领域的发展和应用具有重要意义。对原子激发态间高分辨精密谱的研究，从传统的光学双共振吸收谱及荧光谱方法发展到光抽运双共振谱方法，从传统热原子样品到激光冷却与俘获的冷原子样品，其信噪比、分辨率等都得到极大改善。本项目拟在我们对铯和铷的热原子和超冷原子光谱特性及量子相干效应的工作基础上，主要研究以下内容：1）光抽运双共振谱方法与传统光学双共振谱方法实验研究与对比，借助光抽运双共振谱提高激发态间谱线的信噪比；2）量子相干对光抽运双共振谱影响的理论和实验研究，借助量子相干效应压缩激发态间的谱线宽度；3）铷原子7S,4D,5D激发态超精细分裂实验测量及超精细结构常数确定；4）借助铷原子光抽运双共振谱建立1.5微米光通讯波段激光稳频系统，研究并提高其稳定度

高分辨精密光谱的研究和发展大大促进了人类对光与物质相互作用的认识，对原子分子物理（含冷原子物理）、量子光学、量子计量、光纤通信等等许多领域的发展和应用具有重要的意义。本项目执行期间，我们对于碱金属中的铷原子和铯原子的原子激发态之间跃迁的高分辨精密谱进行了系统的研究，从传统的研究激发态光谱的手段之一，光学双共振光谱（OODR: Optical-Optical Double Resonance）方法出发，对阶梯型能级系统的双共振光抽运（DROP: Double-Resonance Optical Pumping）光谱方法以及主要由阶梯型能级系统中的原子相干效应导致的电磁感应透明（EIT: Electromagnetically Induced Transpanrency）光谱方法进行了研究和对比，研究了光束偏振组合、光强、光束传播方向等因素对DROP 光谱的影响，压窄了光谱线宽、提高了光谱信噪比和分辨率。采用阶梯型能级系统的DROP光谱方法和EIT光谱方法，结合集成波导位相型宽带电光调制技术以及高精细度光学腔频谱分析方法，对于铷87和铷85原子的4D_3/2和4D_5/2激发态以及铯原子8S_1/2激发态的超精细分裂分别进行了精密测量，并相应地确定了其对应的超精细结构常数（磁偶极常数A和电四极常数B）。此外，采用铷87原子激发态5P_3/2 - 4D_3/2(4D_5/2)跃迁的1529nm谱线，借助于DROP谱和双光子偏振谱（TPPS: Two-Photon Polarization Spectroscopy）方法，建立了1.5微米光纤通信波段激光稳频的实验系统，研究并评估了1529nm激光稳频后的频率稳定度；该方案有可能作为光纤通信波段的参考频率标准，应用推广到光纤通信密集波分复用（DWDM）系统的信道波长校准方面。项目执行期间，项目组共在国际国内学术期刊发表相关的学术论文31 篇（被SCI 收录16 篇），在国际国内学术会议发表会议报告22 篇，获山西省科学技术奖自然科学二等奖1 项，申请国家发明专利一项（已受理，审查中），培养毕业博士研究生2 人、硕士研究生4人。