用于铯原子单光子跃迁里德堡激发的单频紫外激光实验实现的关键技术

Realization of frequancy-tunable narrow-linewidth violet and ultraviolet lasers is of great significance in Rydberg excitation of alkali metal atoms,laser cooling and manipulation of alkaline earth metal atoms and ions, and it is also a very important direction of developments in laser technology and nonlinear optics. Rydberg excitation of alkali metal atoms has great prospect in quantum optics and quantum information; Alkaline earth metal atoms and ions can be employed especially in the high-stability optical lattice atomic clock, single-ion optical clock, and other realms in quantum optics and quantum information. With the basis of our previous works and accumulations, adoping the quickly-developed laser technology such as fiber amplifier, narrow-linewidth fiber laser and quasi-phase-matched nonlinear frequency conversion materials, we aim to study many aspects of key techniques and to realize the 318.6nm the narrow-linewidth and tunable ultraviolet laser device for cesium Rydberg excitation using one-step single-photon transition. The research aspects are following: 1) Achievement and characterization of the 10W-level narrow-linewidth and tunable lasers at 1560nm and 1077nm; 2) Efficient sum-frequency generation to obtain the Watt-level narrow-linewidth 637.2nm laser output; 3) Frequency tunibility and stabilization of the 637.2nm laser; 4) Cavity-enhanced frequency doubling to achieve the 318.6nm ultraviolet laser; 5) Try to explore Rydberg excitaion of cesium atoms via single-photon transition.

窄线宽可调谐紫光和紫外激光的实现对于碱金属原子里德堡激发、碱土金属原子和离子等的激光冷却与操控具有重要意义，也是激光技术和非线性光学的重要发展方向。碱金属原子的里德堡激发在量子光学、量子信息方面有重要前景；而碱土金属原子和离子等在高稳定度光晶格原子光钟、离子光钟和量子光学、量子信息方面也有重要研究价值。结合我们研究组已有的工作基础和积累，充分利用激光技术领域发展迅速的光纤放大器、光纤激光器等和准位相匹配频率转换材料和技术，针对铯原子6S_1/2-85P_3/2单光子跃迁里德堡激发所需的318.6nm窄线宽可调谐紫外激光实验实现，拟开展以下几方面的研究：1)10W级1560nm和1077nm可调谐窄线宽激光的实现及特性研究；2)经高效和频过程实现瓦级637.2nm窄线宽激光输出；3)637.2nm激光频率调谐与频率稳定；4)通过腔增强倍频实现318.6nm紫外激光输出；5)尝试探索铯原子单光子跃迁里德堡激发过程。

本项目中将激光技术领域中发展日趋成熟的光纤激光器、光纤放大器和非线性光学频率转换准位相匹配材料结合在一起，服务于原子物理领域铯原子单光子跃迁里德堡激发的实际需求，研究并掌握了产生318 nm波长连续单频紫外激光的关键技术。1)、采用1560.5 nm与1076.9 nm连续激光通过单次穿过PPLN非线性晶体和频实现了637.2 nm高功率窄线宽可调谐激光输出， 637.2 nm红光输出功率大于8 W；空间模式接近理想的TEM_00模，光束质量因子M^2(X)=1.08和M^2(Y)=1.05；2)、在此基础上采用四镜8字环形腔和非线性BBO晶体通过腔增强谐振倍频过程实现了637.2 nm激光向318.6 nm紫外光的高效转换，获得318.6nm紫外激光输出功率大于2 W；半小时内，紫外光功率的方均根(RMS)起伏优于0.87%；3)、采用电子学边带锁频方案，实现了318.6 nm单频紫外激光在保持相对于放置于超高真空腔体中的控温高精细度超稳腔锁定条件下较大范围连续调谐，其连续调谐范围大于4 GHz；并且318.6 nm紫外光的残余频率起伏小于16 kHz；4)、采用我们研制的高功率窄线宽可调谐318.6 nm紫外激光系统，在铯热原子气室中实现了6S_1/2 - nP_3/2 (n=70-100)态的单光子跃迁里德堡激发。利用得到的速度选择光谱，确定了铯原子nP_3/2 (n=70-94)里德堡态的量子亏损。研究了强耦合场作用下的里德堡激发谱的Autler-Townes分裂和磁场影响下的里德堡光谱对相关参数的依赖关系，并做了相关的理论分析与研究；5)、还采用磁光阱系统俘获的铯冷原子系综，采用纯光学探测方案观察到了318.6 nm紫外激光对铯冷原子中的单光子跃迁里德堡激发。项目执行期间共发表国际国内学术论文29篇，国际及国内学术会议报告18人次，培养青年教师1人晋升为副教授，培养毕业博士生3人、硕士生1人。