新型光-原子非线性干涉仪的实验研究

Precision measurement of physical quantities is the goal of many research scholars, there are many measurement methods, the most commonly used one is the interference. There have been two types of interferometer: all-optical interferometer and atom interferometer, to measure the quantities sensitive to optical phase or atomic phase, respectively. Until now there isn’t a kind of interferometer to measure the physical quantities, which is both sensitive to optical phase and atomic phase. Here we proposed this project --nonlinear light-atom interferometer. Two fields in such interferometer is the optical field and atomic excitation, the interference output intensities are sensitive to the phases of the light field and atomic field at the same time. Compared to the all-optical interferometry and atomic interferometer, this interferometer is more flexible. We use non-linear process as the beam splitter of light-atom interferometer; it has the advantage of all-optical nonlinear interferometer in principle. Its measurement accuracy will be better than that of linear interferometer. This project will provide a new measurement method for precise measurement, and develop some quantum control technologies, which can enrich the scientific content of quantum optics, atomic and molecular physics, precision measurement, and so on.

对物理量进行高精度测量是众多科研学者追求的目标，所用的测量方法也有很多种，最常用的就是干涉。目前国际上已有两类干涉仪：全光干涉仪和原子干涉仪，分别用于测量光场相位敏感的或者原子相位敏感的物理量。到目前为止国际上尚没有一种干涉仪既能测量光场相位敏感的物理量，又能测量原子相位敏感的物理量。本项目正是针对这一状况，在我们前期的实验和理论研究基础上，提出新型光-原子非线性干涉仪方案。这一干涉仪的两个干涉场分别为光场和原子激发模，干涉强度既对光场相位也对原子相位敏感，相比全光干涉仪和原子干涉仪来说更灵活。我们采用非线性过程做为光-原子干涉仪的分束器，理论上它具有全光非线性干涉仪的优势，测量精度相比同等量级的线性干涉仪更高。本项目将给精密测量领域提供一种新的测量方法，从中发展出来的量子操控技术还能丰富并拓展量子光学、原子分子物理和精密测量等学科的内容。

资助以来，围绕实现低噪音光-原子混合干涉仪，经过几年的努力，实现了光-原子混合干涉仪，并发展出一些量子控制方法和技术，取得一系列成果，圆满完成项目预期研究内容。具体为：1. 理论研究了光-原子混合干涉过程中的损耗以及测量方法对干涉相位测量精度的影响；2. 基于光和原子相干拉曼过程，实验产生了光-原子相干关联，重点研究了具有相干关联的光和原子空间模式和时间模式，采用反馈技术很好的控制了空间模式，降低了光和原子耦合过程中的噪声；3. 对光和原子相互作用的时间模式进行优化，实现效率高达80%以上的光和原子量子转换效率；4. 将光-原子关联态结合时间空间控制技术，用于构建光-原子混合干涉仪，干涉输出强度对光场相位敏感，也对原子相位敏感，最终实现了对比度达到95%以上的光-原子混合干涉仪；5. 提出基于光-原子混合干涉仪的量子测量新技术，申请并授权三项技术专利。在国内外顶级以及一流学术刊物上发表九篇论文，其中Nature Communications一篇，Optica一篇，其余论文发表在Phys. Rev. A、Optics Letters、Optics Express等学术刊物上。