稳频里德堡多波混频过程及其缀饰相位研究

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1、博士学位论文稳频里德堡多波混频过程及其缀饰相位研究学位申请人：张朝阳指导教师：张彦鹏教授学科名称：电子科学与技术2015年11月ResearchontheDressingPhaseinRydbergMulti-WaveMixingProcesseswithFrequencyStabilizationAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngin

2、eeringByZhaoyangZhangSupervisor:Prof.YanpengZhang(ElectronicsScienceandTechnology)November2015摘要论文题目：稳频里德堡多波混频过程及其缀饰相位研究学科名称：电子科学与技术学位申请人：张朝阳指导教师：张彦鹏教授摘要原子光学因为激光的问世有了很大的发展，通过激光和外层电子的强耦合作用可以极大地改变原子介质的光学响应特性。本论文基于外腔式半导体激光器系统搭建了用于研究多能级铷原子系统中高阶非线性效应的实验系统，然后利用基于原子相干

3、的电磁诱导透明和光泵浦效应研究了低激发态和高激发里德堡态高阶非线性多波混频的共存与相互作用，这种缀饰高阶多波混频在多通道全光通信、量子信息处理方面有着重要的潜在应用。首先，我们基于模拟技术设计实现外腔式半导体激光器伺服系统，适用于铷原子能级跃迁的780nm、776nm以及795nm外腔式半导体激光器。通过对外腔式半导体激光器的结构和特点进行分析，我们基于模拟电子技术提出了外腔式半导体激光器伺服系统的结构，包括电流驱动模块、温控控制模块以及用来压窄激光线宽和保证激光长期稳定的主动稳频系统。然后根据实验需要提出电流、温度

4、以及主动稳频模块的性能指标，再根据指标要求模块提出了各个模块的具体电路设计方案，并结合实际应用情况给出了各模块详细的设计电路图；最后在硬件上对设计方案进行调试最终达到提出的性能指标。最终把各个模块组合装机完成一套完整的设备用于驱动实验中需要的外腔式半导体激光器。我们开发高精度高稳定度的外腔半导体激光器驱动及主动稳频系统，不仅可以满足高精度原子光学实验的要求，而且它简单的结构、低成本、高可靠性也可以用于教学和其它商业开发，所以研制这样一套用于控制半导体激光器系统也就具有了突出的现实意义和社会价值。其次，设计并实现了光学

5、环形谐振腔的稳定扫描系统。我们把热原子介质置于一个三镜环形腔内，它的强耦合性可以有效地增强介质的非线性效应。同时，把周期极化的KTP晶体置于四镜环形腔内来产生二次谐波信号，也就是所谓的倍频技术。然而，在具体实验中我们需要保持三镜腔腔长的长期稳定以及四镜腔与基频光处于共振状态，因此必须通过外部锁腔系统把腔锁在相应的参考激光上，结果表明原子腔的漂移从100MHz被抑制到小于4MHz。在实验中，原子腔可以被看成是一个腔缀饰场，倍频腔的输出也可以被看做是一个缀饰场。为了得到无背底的干净信号，我们要对缀饰场进行扫描，这就要求我

6、们对环形腔在锁定以后能以一定的频率进行一定范围的扫描。为了满足实验需要，我们设计了两套负反馈锁腔系统实现对腔长的稳定，系统可以保证腔在锁定的情况下能以10Hz的频率进行1GHz范围的扫描。第三，通过电磁诱导透明和光泵浦来研究低激发态原子系统中共存多波混频的相I西安交通大学博士学位论文85互作用和相位调制过程。我们分别在三能级和倒Y型四能级Rb原子系统利用光泵浦和EIT技术得到了共存的四波混频和六波混频，通过不同的光束配置，光泵浦效应可能产生增加或者减少探测场吸收的过程。在此基础上，通过调节探测场和与耦合场之间的角度，

7、我们在K型五能级系统里面研究了共存的探测场、多波混频和荧光信号的相位调控特性。另外，通过选择不同的基态超精细能级也可以控制缀饰效应的强弱。这种可控的高阶非线性过程有用在新型的光电器件和多通道量子信息处理等领域的潜能，同时这也为我们研究高激发的里德堡态的高阶非线性过程积累了经验。最后，以低激发态原子系统中得到的多波混频为基础，我们研究了高激发里德堡态原子系综中基于电磁诱导透明的高阶非线性和相位调制过程。一方面，我们在共存85的电磁诱导透明窗口中从理论和实验两个方面研究了热Rb原子气体中的里德堡态六波混频和八波混频过程。

8、通过扫描缀饰场，可以得到通过多组自旋相干产生的八波混频过程，该八波混频过程主要通过强里德堡相互作用导致的缀饰态效应和激发阻塞效应之间的竞争和相互作用来体现，经过多个电磁诱导透明窗裁剪的八波混频信号线宽小于30MHz。另一方面，我们也研究了里德堡电磁诱导透明介质中多波混频的抑制增强效应。里德堡原子间的强相互作用可以调制介质的非线性色散特性，同时也