里德堡碱原子相干操控及电离的若干问题研究.pdf

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1、里德堡碱原子相干操控及电离的若干问题研究贾光瑞2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540里德堡碱原子相干操控及电离的若干问题研究作者姓名贾光瑞学院名称光电学院指导教师赵跃进教授答辩委员会主席教授申请学位工学博士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonSeveralProblemsofCoherentControlandIonizationofRydbergAlkaliAtomsCandidateName：GuangruiJiaSchoolorDepartment:Scho

2、olofOptoelectronicsFacultyMentor:Prof.YuejinZhaoChair,ThesisCommittee：Prof.DegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：SchoolofOptoelectronicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外

3、，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要电磁波产生和探测技术的发展，以及非电离辐射在医学和材料探测领域的广泛应用，促进了从几十GHz到THz频段电磁波与里德堡原子相互作用研究的快速发展。电磁波与里德堡原子的相互作用规律是研究微波、太赫兹波产生和探测技术的重要物理基础，同时也是在微波、太赫兹频域实现量子态相干操控与电离的

4、重要研究内容。本文主要研究内容为电磁波与里德堡碱金属原子相互作用的基本理论，在高精度计算里德堡碱原子能级值和波函数的基础上，采用含时多态展开方法，通过自行编译的计算机仿真程序，研究了里德堡碱金属原子与微波、太赫兹波的相互作用规律，分析了锂、钠、铷等原子布居数迁移的动力学过程和光致电离过程。模拟仿真结果与相关已有实验结果一致。在实验方面，完成了高里德堡态的制备，通过场致电离过程测量了里德堡钠原子在零场、静电场条件下的共振谱线，实验结果与模拟仿真结果一致。本文主要研究内容包括：1.采用B样条和模型势相结合的方法，计算了零场下里德堡原子的能

5、级值和波函数，分析了静电场中里德堡原子能级值随电场强度的变化关系，绘制了斯塔克能谱，给出了斯塔克能谱中相邻能级间的反交叉位置和反交叉宽度，为实验上制备高里德堡态提供理论基础。2.编译微波场中里德堡原子相干控制的计算机模拟仿真程序。采用含时多态展开方法，仿真计算了啁啾微波场中里德堡原子布居数跃迁的动力学特性。通过一系列单、双光子过程，里德堡锂原子布居数由主量子数n=75至70，以及由主量子数n=79向n=70的跃迁几率可达90%，本文在计算中考虑了每一主量子数的所有角量子态，并详细分析了不同角量子态间的干涉效应。仿真结果表明：通过优化微

6、波场的频率啁啾速度和场强，可以实现原子布居数向特定量子态的跃迁。相关研究结果与已有实验结果相一致，为分析研究太赫兹场中里德堡原子的特性奠定了基础。3.在完成太赫兹波与里德堡原子相互作用规律理论推导的基础上，编译了太赫兹场中里德堡原子相干操控和电离的计算机模拟仿真程序。模拟了太赫兹场中里德堡铷原子布居数迁移的动力学过程，给出了一个太赫兹脉冲序列与三能级里德堡铷原子系统相互作用后的布居数分布，以及多脉冲序列对里德堡铷原子多量子态系统的相干操控结果。通过分析同一主量子数中不同角量子态间布居数的含时演化过程，控制相邻I北京理工大学博士学位论文

7、半周期脉冲间的时间延迟，发现了原子布居数在初末态间的振荡周期与对应能态的开普勒轨道周期的对等关系。模拟仿真结果表明：通过优化太赫兹脉冲参数，可提高布居数向特定量子态的跃迁几率以及电离几率。根据理论研究结果，对已有实验结果给出了新的解释。相关研究结果可为采用里德堡原子探测太赫兹波提供理论指导。4.利用飞行时间质谱仪实验平台，采用紫外激光激发真空中的碱金属原子，制备了探测太赫兹波所需的高里德堡态。测量了里德堡钠原子零场、静电场条件下的共振吸收光谱。本文对比了钠原子主量子数从n=34至46间零场、静电场光谱的实验结果与理论结果，二者吻合的较

8、好。该主量子数范围里德堡态的电离阈值与太赫兹频域的光子能量相对应。在现有实验平台的基础上，进行了采用气相里德堡原子探测太赫兹波实验系统的初步设计。关键词：里德堡原子；含时多态展开方法；相干控制；光致电离II北京理工大学博