用于铯原子内态操控的双光子拉曼激光的产生及应用

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.18(2015)184209用于铯原子内态操控的双光子拉曼激光的产生及应用王志辉田亚莉李刚y张天才(山西大学光电研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原030006)(2015年3月26日收到;2015年5月5日收到修改稿)双光子拉曼过程是一种有效制备和控制原子内态的方法,在原子内态操控和基于原子的量子信息处理中具有重要意义.研制用于特定原子的拉曼激光是实现该过程的重要一步.报道了利用光纤波导相位调制器及滤波器等实现用于铯原子内态操控的拉曼激光的方法,并成功用于单个铯原子的内态精密操控.通过4.6GHz的微波信号源直接驱动

2、波导相位调制器高效地获得光场的调制边带,并利用自由光谱区为9.19GHz的法布里-珀罗腔将载波及二阶边带滤掉,获得了频率精确、相差9.19GHz的拉曼激光.经过基于光纤振幅调制器的功率稳定系统,最终可以获得总功率为73W、长时间内波动为2.2%的拉曼激光束,并将此光束用于激发单个铯原子,实现了j6S1/2;F=4;mF=0⟩和j6S1/2;F=3;mF=0⟩之间的可控拉比操作.关键词:双光子拉曼过程,拉曼激光,光纤波导相位调制器,干涉滤波器PACS:42.55.Px,42.55.Ye,42.60.ByDOI:10.7498/aps.64.184209宽度可以实现原子内态操控,是目前原

3、子内态操控的基本方法.2006年,Saffman小组[3]利用双光1引言子拉曼过程对偶极阱中俘获的单个87Rb实现了频激光冷却和俘获的中性原子系统背景干净、能率为1.36MHz的拉比振荡.2007年,Grangier小级结构简单、寿命较长,相比于其他的系统更有利组[4]也对亚微米尺度光学阱中单个87Rb实现了频于其保持内态的相干性,并可利用与外界光场和磁率为6.7MHz的拉比振荡,并用自旋回波技术获场的相互作用,实现原子内态的操控和测量[15].得了34ms的退相干时间.虽然Meschede小组[1;2]因此,中性原子系统可以用作量子信息的存储和早在2003年就利用微波驱动超精细态跃迁

4、实现了处理单元,光场则用于量子信息中快速高效的读操控基态原子,但是微波场的空间覆盖面太大,单取和传递[6,7].随着冷原子技术的发展,中性原子独无法实现扩展的量子系统的寻址;另一方面,由的相干操控和退相干机理的研究成为演示原子的于原子的磁跃迁强度相对较小,实现快速的量子操分子量子调控的重要平台,是目前实验研究的一控具有一定难度.拉曼激光则能够方便地通过空间个热点[15].在众多原子内态操控方案中[15;8;9],模式的变换实现扩展量子系统的寻址,并且通过提双光子拉曼过程[35]应用广泛,为原子的分子量高光功率密度实现快速的量子操控速度.鉴于此,子态的制备、操控和测量提供了有效的方

5、法.双高效便捷地产生拉曼激光成为原子量子调控的重光子拉曼过程利用两束双光子跃迁共振、单光子要部分.跃迁大失谐的光脉冲作用于原子,通过改变脉冲以中性铯原子(133Cs)钟态(j6S;F=4,1/2国家自然科学基金(批准号:11125418,91336107,61275210,61227902)和国家重点基础研究发展计划(批准号:2012CB921601)资助的课题.†通信作者.E-mail:gangli@sxu.edu.cn©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn184209-1物理学报ActaPhys.Sin.

6、Vol.64,No.18(2015)184209mF=0⟩和j6S1/2;F=3;mF=0⟩)之间的相干mF=0⟩态作用的6P3/2态中的超精细能级及其跃操控为例,其双光子拉曼操控过程要求两束位迁矩阵元,为了获得最大的拉曼跃迁频率,我们选相锁定并且频率差严格等于原子钟态跃迁频率择跃迁更强的j6P3/2,F=4;mF=+1⟩和j6P3/2,(约9.19GHz)的激光.目前人们主要利用三种方F=3;mF=+1⟩态.一般双光子跃迁的型三能法来产生拉曼激光:1)利用声光(电光)调制器直级系统中,基态之间的双光子拉比频率可表示为[3]接对激光进行调制[1012];2)直接对半导体激光Ω0Ω1

7、Ω=;(1)器[13;14]进行电流调制[15;16];3)不同激光器的位相2∆锁定[17;18].相对于第三种方法,前两种方法产生其中,Ω0,Ω1分别为两个基态j0⟩j1⟩与激发态之间的拉比频率,∆为拉曼光的单光子失谐.在本文讨的系统简单,易于实现.我们采用方案1,获得了总论的这种情况下,与基态耦合的激发态有两个,则功率为73W、波动为2.2%的拉曼激光,测量了相基态之间的双光子拉比频率为应的拉曼谱并实现了频率为153kHz的铯原子基Ω04