里德堡原子具有较大的电偶极矩，可以作为一种对微波场强具有高灵敏度的传感器。制备铯里德堡原子需要852 nm和509 nm单频窄线宽可调谐激光系统，目前的509 nm激光系统多为实验室用样机，稳定性和实用性较差。本文提出了一种结构稳定的猫眼式激光系统，该系统可实现200 mW，1018 nm和50 mW，852 nm单频激光输出，采用电流、压电调节方式实现激光波长调谐和频率锁定；将1018 nm激光作为种子源，激光经过窄线宽掺镱光纤放大器后将功率放大至5 W，之后进入光纤耦合式单通掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体进行倍频，实现了大于470 mW的509 nm激光输出。基于此激光系统实现了n＝67的里德堡原子制备，得到了线宽约为5 MHz的D态电磁诱导透明光谱，为后续构建量子微波场强测量装置提供了核心单元。

相位测量和频振动光谱(SFG)可以获得物质表面分子取向等信息, 但在实验重复性、 实验设计和界面分析等方面仍有一些关键问题没有解决。 相位误差会引起光谱变化并误导界面结构分析, 因此分析并准确控制误差是相位测量SFG的关键技术。 使用z-切石英作为相位标准, 测量了修饰在熔融石英基底上的十八烷基三氯硅烷(OTS)在C—H振动波段的和频振动光谱, 对OTS的相位光谱进行了解析, 结果表明OTS虚部光谱中, 2 878和2 936 cm-1处的两个正峰分别是末端CH3的对称振动(CH3ss)和费米共振(CH3FR), 2 960 cm-1处的负峰为CH3的反对称伸缩振动(CH3as), 这三个峰的光谱特征和指认与文献一致。 2 910 cm-1附近的负峰为CH2反对称伸缩(CH2as), 与文献比较, 约有20 cm-1的偏移, 且在2 850 cm-1附近还观察到一个负峰, 归属为CH2对称伸缩(CH2ss), 分析认为与文献的差异可能是因为样品制备时间影响了OTS的分子排列结构。 通过建立OTS虚部谱与CH3取向角的关系, 发现CH3的三种振动模式的c轴与表面法线的夹角均小于90°, 其H更多为向上取向且排列有序, 表明相位测量相较于强度测量可以获得更丰富的表面信息。 同时, 讨论了待测样品和参考样品位置的非一致性对相位测量精度的影响。 通过测量OTS在三个不同位置(12.1, 12.3和12.73 mm)的虚部谱, 并与模拟相位误差的引入对虚部谱的影响对比, 发现待测样品与参考样品测量位置间2.5 μm的位移对应于1°的相位误差, 20°相位的偏移会导致零点位置移动约6 cm-1, 从而引起振动峰位置和符号等的改变, 导致对光谱的错误解析。 为了获得界面分子稳定可靠的相位信息, 需要严格控制两次样品测量位置一致。 实验研究结果为提高和频振动光谱相位测量的精度与准确性提供了指导, 为界面分子表面态的检测与分析、 及微小信号的探测提供了有效手段。

空间引力波探测任务中, 由于干涉臂臂长的巨大差异, 激光频率不稳定噪声成为系统最大的噪声源之一。需采用Pound-Drever-Hall锁腔、锁臂和TDI(Time Delay Interferometer)技术三级联合, 将此噪声压制到10-6 Hz1/2量级, 才能使得频率噪声低于散粒噪声。而实现TDI技术需要准确测量卫星间的绝对距离和星间通信。本文以空间引力波探测中的绝对距离测量和通信技术为背景, 详细阐述此项技术的实现原理和方法。拟通过EOM(Electro-Optic Modulator)将测距伪随机码和通信码调制至主激光相位中, 再传输至远端航天器。在远端航天器通过锁相环和延迟环组成的解调系统计算伪随机码的时间延迟, 进而解析出卫星间的绝对距离和通信信息。相关结论可为未来的验证实验奠定理论和技术基础, 同时为我国未来空间引力波探测的相关技术发展提供一定参考。

空间引力波探测中为实现引力波信号科学测量, 卫星发射到预定轨道后需首先完成百万公里级激光链路的构建。同时为保证引力波信号不会被激光指向噪声淹没, 激光指向稳定性需达到nrad/Hz量级。为此需设计一套复杂而精密的激光指向调控方案。本文以太极计划为背景, 详细阐述了可采用的指向调控方案。拟将整个过程将分为两个阶段, 首先进行激光捕获过程, 在该过程中, 使用星敏感器(STR)与电荷耦合器件(CCD)作为辅助捕获探测器, 将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程, 利用差分波前敏感测角(DWS)技术对激光指向稳定性进行控制。根据太极计划要求, 对各阶段捕获探测器提出了视场及精度要求, 并论述了采用DWS技术实现精密指向的可行性。相关结论可为未来的验证实验奠定理论基础, 对太极计划指向系统构建提供参考。

基于390 nm 紫光诱导的光致原子解吸附效应，实现了大磁场梯度磁光阱中少数原子快速和高概率的装载。实验中通过开启390 nm 紫光使吸附在真空气室内壁上的原子解吸附，从而有效地增加了背景铯原子数密度，降低了大磁场梯度磁光阱中原子的装载时间，同时研究了磁光阱中装载的原子数目对紫光参数的依赖关系。利用这种全光学控制的方法，最终获得了磁光阱中装载一个原子、两个原子、三个原子的概率分别为98.0%，95.0%，80.1%，这对于下一步利用光学手段实现远失谐光学偶极阱中单原子高概率快速的装载以及利用空间光调制器扩展偶极阱阵列，实现偶极阱阵列中每个阱中单原子快速高概率装载具有重要意义。

本文基于声光频移器，采用光电反馈方式实现了激光强度的稳定控制。根据声光频移器的布拉格衍射对激光强度的调节作用，以光电反馈得到的反馈电信号控制驱动声光频移器的射频功率大小，进而对声光频移器的输出激光强度进行稳定，激光在47 kHz以下的低频噪声实现最大抑制比为15 dB。实验结果基本满足了所要求的激光稳定度。此外还分析了整个回路的响应特性，测试了除反馈电路之外其他部分的相移特性。

为了获得高信噪比的电磁感应透明(EIT)谱线，对铯原子6S1/2-6P1/2-8S1/2阶梯型能级系统的EIT谱进行了研究。探测光的频率锁定于基态到中间态的超精细跃迁线上，控制光在中间态到激发态超精细跃迁线之间扫描，得到的EIT谱具有平坦的背景，提高了光谱的信噪比。阶梯型能级系统中光谱信号强度不仅与控制光束和探测光束的传播方向有关，而且与控制光功率有关。最终，获得了高信噪比的EIT谱线。

Spectroscopic imaging ellipsometry (SIE) is used to characterize a nanofilm pattern on a solid substrate. The combination of a xenon lamp, a monochromator, and collimating optics is utilized to provide a probe beam with diameter of 25 mm, a charge-coupled device (CCD) camera with an imaging lens set and a lateral resolution in tens of microns is used as the detector. The sampling is approached by a rotating compensator at 8 seconds per wavelength. An 8–35-nm-thick stepped SiO2 on Si substrate is characterized in the range of 400–700 nm with a thickness resolution of approximate 0.2 nm.

自动聚焦技术在椭偏光学显微成像系统中是一项关键的技术。利用几种常用聚焦评价函数作为研究手段研究了这一过程。实验中采用硅基底表面人血纤维蛋白膜层和多元蛋白质芯片样品作为研究对象,研究了几种函数在自动聚焦过程中函数值的变化,以及噪音、样品区域选择对聚焦效果的影响。实验验证拉普拉斯评价函数和Sobel评价函数可以满足系统的要求;采用多幅图像平均的方法可以有效降低噪音,当平均次数达到9次以上,系统噪音的影响就可以被降至有效评价的程度;沿同一锐边,选择不同的调焦区域,对聚焦过程基本没有影响;利用评价函数在实验中确定了倾斜平面成像的最佳聚焦平面,并与理论像平面吻合。实验证明利用聚焦评价函数可以成功实现自动聚焦技术在椭偏光学显微成像系统中的应用。

倾斜镜面成像系统的像面与光轴倾斜,仅利用轴向自动调焦无法实现像面整体清晰.为此提出一种基于图像清晰度判断的自动调焦方法.该方法将轴向调焦与角度调焦相结合,通过步进方式平移和旋转像接收面,利用离焦函数判断聚焦情况,采用数据拟合回归的方法实现了像面整体清晰.该方法在椭偏成像系统的应用结果验证了其有效性,调焦精度达到微米量级.