基于光纤光梳的高分辨率直接光谱研究

For the scientific research of precise spectroscopy measurement in the precision metrology, this project explores some new methods for direct spectroscopy based on optical frequency combs. The proposed approach for investigating the transitions in alkali atoms, iodine molecules and Bose-Einstein Condensate (BEC) carries on innovation of the laser source and optical configurations. A continuous wavelength laser is introduced to the interaction between a frequency comb and the atoms and the corresponding theoretical model has been established. The two-photon direct spectroscopy technology of the Rb and Cs has been proposed and the absolute frequency of the transition can be measured at a kilo hertz level. Based on the combination of multiple heterodyne method and the enhancing cavity technique, high resolution iodine molecule direct spectroscopy technology has been demonstrated for fast abundant transition lines precision measurement. Besides, by using modulation-transfer spectroscopy technology, the precision measurement of the stimulated shift of the BEC has been developed in order to verify the theoretical predictions. Therefore, those research results will lead to new theories and technologies of precision spectroscopy based on the optical frequency comb, which has profound scientific significance and research value for the precision measurement in physics.

本项目围绕精密计量学科中精密光谱测量的科学问题，探索高精度直接光谱学的测量新方法。从激光源和测量原理进行测量技术的创新，在碱金属原子精密光谱测量的方案研究和技术方面有所突破，将连续激光引入飞秒光梳与热原子气体的相互作用，构建了碱金属原子的双光子吸收理论模型，提出了铷原子及铯原子的双光子跃迁直接光谱学技术，通过扫描光梳重复频率，可以获取光梳覆盖范围内原子的所有双光子跃迁谱线，并实现双光子跃迁光学频率的测量，测量不确定度达到千赫兹水平。此外，可通过调节连续激光的频率对跃迁路径及原子速度可控的双光子跃迁现象进行研究。这些研究成果将构成新的系统的精密光谱学测量理论与技术，对精密测量物理研究具有重要的科学意义和研究价值。

基于光学频率梳的直接光谱学技术具有宽光谱覆盖范围、高光谱分辨率、高探测灵敏度等优点，是当前原子分子和光物理、超快光学、量子信息、量子操控等领域的国际前沿课题。本项目采用光纤飞秒光学频率梳作为光源，进一步提高了光梳系统的集成度与稳定度，为实现通用的精密直接光谱测量仪器奠定了基础。首先研制了工作在通信波段（1.5μm）、光谱宽度40nm、脉宽80fs的光纤飞秒光学频率梳系统，整机系统集精密恒流、恒温控制、锁相环于一体，通过对初始频率信号及重复频率信号的阿伦方差进行测量证明光梳的稳定度达到3×10-12@1s，并能够实现长期稳定运行。利用自行研制的光纤光梳对铷原子5S-5D双光子跃迁进行了直接光谱测量，经过对系统的频移效应进行评估与修正后，测量精度达到44kHz，与采用连续激光精度一致，但测量系统跟为简单紧凑，为实现铷原子双光子跃迁参考的工作在通信波段的可搬运光梳光钟奠定了基础。另外，我们对铷原子双光子跃迁光谱的偏振依赖特性进行了系统的研究，通过改变相向传输的两路激光的偏振态，获得了双光子跃迁偏振光谱，实验中观察到了5.5倍的双光子跃迁信号相对幅度的提高，为进一步优化直接双光子光谱的信噪比提供了新的自由度。此外，我们还开展了基于激光自混合效应的长度精密测量技术的研究，测量精度达到纳米量级，动态测量范围达到了10-6，处于国际先进水平。综上所述，我们较好地完成了课题任务，发展了多项双光子光谱及长度的精密测量技术。课题期间，已发表SCI学术论文1篇（Applied Optics），目前在投论文3篇（Physical Review A、Measurement Science & Technology、Chinese Physics Letters各1篇）。参加了多次国内外学术报告，口头报告1篇，和国际上同行也有很多的交流与合作，对于我们在精密测量科学与基本物理前沿的研究中将起重要作用。