摘要
里德堡原子是指主量子数 n 很高的激发态原子。它具有尺寸大、寿命长、极化率大的特点，导致里德堡原子间产生了强的偶极-偶极相互作用以及对外界电场极其敏感等异于基态原子的特性。这些特性使高激发态里德堡原子在量子光学和量子信息领域体现出重要的应用价值。里德堡原子的应用需要里德堡态的激发，单步里德堡激发可避免多步激发过程中间态的光子散射和AC-Stark频移带来的退相干问题，因此，成为了制备里德堡原子的一种新型且极具挑战的激发方式。 本文以研究铯原子单步里德堡激发为目标，充分利用激光技术领域发展迅速的光纤激光器、光纤放大器、准位相匹配晶体材料和非线性频率转化技术，研制了318.6nm高功率、窄线宽且连续可调谐的紫外激光系统，基于该系统开展了热原子气室和冷原子系综中 133Cs原子单步里德堡激发的实验研究。主要内容如下： 1. 介绍了里德堡原子的基本性质及其在量子信息领域中的应用，并介绍了非线性光学以及激光冷却与俘获的一些基础知识。 2. 使用波长1560.5nm和1076.9nm红外激光器作为基频光，PPMgO:LN晶体材料作为非线性媒介，通过和频转化过程实现了637.2nm高功率红光输出。对比了不同尺寸 PPMgO:LN 晶体对输出红光的光束质量和长期稳定性等特性的影响，最终获得了功率高达8.75W的单频红光输出。 3. 基于和频生成的637.2nm高功率红光，采用自制的四镜环形腔，在BBO晶体中经腔增强倍频过程实现了318.6nm紫外激光的高效输出，最大输出功率2.26W。该紫外激光源具有高功率、窄线宽、频率稳定且连续可调谐的特点。 4. 采用318.6nm紫外激光作为激发光，实现了室温铯原子气室中的单步里德堡激发。实验研究了nP3/2 (n=70-100)态的速度选择光谱及其A-T分裂特性。通过里德堡态能量的测量拟合得到了nP3/2里德堡态的量子亏损。 5. 搭建了用于冷原子系综单步里德堡激发的铯原子磁光阱。对磁光阱关键实验技术做了详细描述，并测量了磁光阱原子数和数密度等参数。通过荧光损耗光谱探测手段实现了冷原子中不同主量子数 nP3/2里德堡态的激发和探测并观察到了系综里德堡激发阻塞效应。 本文创新之处： 1. 由于637.2nm波段增益介质非常稀缺，目前商用高功率红光光源主要由长期稳定性差的液体染料激光器提供。我们通过非线性和频转化过程获得了运转稳定、维护方便的高功率全固化637.2nm激光系统。 2. 采用非线性光学方法对近红外波段激光倍频或者和频是实现高功率紫外波段激光通用的方案，但是此方案会受限于非线性晶体对紫外激光的吸收及伴随产生的热效应。我们实验上通过晶体材料的选择、倍频腔的设计和优化，获得了一套优质的318.6nm紫外激光系统。 3. 实验上使用光学探测的手段通过单步里德堡激发方式观察到了室温铯原子气室中 nP3/2 (n=70-100)态的速度选择光谱。使用荧光 Trap-loss 光谱方式，实现了冷原子系综里德堡态的探测。
NETL