基于量子光源的铷原子系综自旋噪声谱测量的量子增强研究

Atomic spin is a kind of intrinsic degree of freedom of atomic motion. The spin noise spectroscopy (SNS) of atomic ensemble contains the intrinsic spin characteristics of atomic system and its response to external magnetic field. The SNS measurement can reveal the spin evolution dynamics of atomic system, the fine and hyperfine structure of atomic energy level, the homogeneous and in-homogeneous broadening of atomic collisions, the magnetic resonance characteristics, and many other physical information. By reducing the background noise of SNS and improving the signal-to-noise ratio, the above physical properties of atomic system can be investigated more sensitively and precisely. In this project, we will focus on the quantum light source at Rubidium D1 transition line (795 nm) and its application in the SNS measurement of Rubidium atomic ensemble, the main research works include: 1). The preparation and characterization of quantum light source, which owns the quantum properties of polarization squeezing and whose frequency can be widely detuned over the Rubidium D1 transition line; 2). By using appropriate feedback control system, we plan to suppress the intensity noise and phase noise of laser fields, and then optimize the configuration of the system, and finally improve the performance of quantum light source; 3). Measurement of SNS of Rubidium atomic ensemble and its response to external magnetic field; 4). Application of the 795-nm quantum light source in the SNS experimental measurement of Rubidium atomic ensemble and exploration of quantum enhancement effect in SNS measurement.

原子自旋是一种内禀自由度，原子系综的自旋噪声谱中包含了原子系统的固有自旋特性及其对外磁场的响应。自旋噪声谱的测量可用来揭示原子系统的自旋演化动力学特性、原子能级的精细结构和超精细结构、原子碰撞的均匀加宽和非均匀加宽、磁共振特性等许多物理信息。充分降低自旋噪声谱的背景噪声、提高信噪比，可更灵敏更精细地研究原子系统的上述物理性质。本申请项目拟围绕铷原子D1跃迁线795纳米波长的量子光源及其在铷原子系综的自旋噪声谱测量中的应用，主要开展以下几方面的研究工作：1).频率可在铷原子D1跃迁线大范围内宽调谐、具有偏振压缩量子特性的量子光源的制备及表征；2).采用合适的反馈控制系统显著抑制激光场的强度噪声和位相噪声，优化系统设计，以期改善量子光源性能；3).铷原子系综自旋噪声谱及其对外磁场响应的测量；4).量子光源应用于铷原子系综自旋噪声谱测量中的量子增强效应探索研究。

本项国家自然科学基金青年基金项目“基于量子光源的铷原子系综自旋噪声谱测量的量子增强研究”（项目批准号:61905133），按照申请书和计划任务书中原定的研究计划，已完成原定研究内容，达到了预期目标。1)、使用连续可调谐的钛宝石激光器作为制备压缩态光场的相干激光光源，基于光学参量振荡器，在分析频率3kHz至3MHz范围内，实现了高压缩水平的压缩真空态光场制备；并采用量子噪声锁定方法实现了线偏振相干态光场与正交偏振的压缩真空态光场的相对位相锁定，获得了偏振压缩态光场。典型地，当分析频率为1.6MHz时，可得到压缩水平为-5.3dB的795nm波长的斯托克斯算符S2偏振压缩光场。基于钛宝石激光器的连续宽调谐特性和光学参量振荡器的宽调谐特性，所制备的795nm波长的偏振压缩态光场，也可在很宽的频率范围内实现调谐，实现了795nm高压缩水平的量子光源的制备；2)、基于声光频移器反馈控制对795nm激光束及397.5nm激光束的强度噪声、偏振噪声及空间指向不稳定进行了抑制，实现了音频分析频率段的偏振压缩态光场压缩度的改善。3kHz至10kHz分析频率范围内压缩度可改善至-4.0dB；3)、采用充有缓冲气体10Torr氖、20Torr氦的铷原子气室，利用795nm波长处频率负失谐于铷-85原子D1线近10GHz、线偏振相干态光场作为探测光，在多层磁屏蔽桶内施加均匀的横向直流磁场，实现了铷原子系综的自旋噪声谱探测。还采用内壁镀石蜡抗自旋弛豫膜的铷原子气室实现了窄线宽、高信噪比的自旋噪声谱探测。通过识别铷85原子和铷87原子的自旋噪声信号及标定各自自旋噪声谱的中心频率，结合精确的基态铷原子旋磁比可推知外加横向磁场的强度。该方法可用于对商用霍尔磁强计对弱磁场测量的准确度及偏差进行评估和校准；4)、使用所制备的斯托克斯算符S2偏振压缩态光场，对铷原子系综的自旋噪声进行了量子增强测量。在一定范围内自旋噪声谱的信噪比及线宽与探测光光强及原子数密度呈正相关。相同实验条件下，相比偏振相干态光场，偏振压缩态光场可将原子系综自旋噪声谱测量的信噪比提高3.7dB，即实现了量子增强。此外，通过适当减弱偏振压缩光的功率或适当降低原子数密度，可同时实现自旋噪声谱的信噪比及线宽的同时改善。共发表期刊论文10篇，授权发明专利1项(已收到专利授权通知书），学术会议报告2人次，培养毕业硕士研究1名。