将激光器的输出频率锁定于合适的参考频率上,可以有效地提高激光器的频率稳定度, 抑制激光器的频率起伏, 实现激光稳频。本文中, 我们在室温铯原子气室中研究了基于6S1/2-6P3/2-70S1/2阶梯型三能级系统的双色偏振光谱(TCPS), 并利用该TCPS实现了无调制激光稳频。实验中, 852 nm线偏振光作为探测光, 激光频率共振于6S1/2(F=4)→6rmP3/2(F'=5)跃迁线, 509 nm圆偏振光作为耦合光, 激光频率在6P3/2(F'=5)→70S1/2跃迁线附近扫描。圆偏振耦合光泵浦原子布居于不同Zeeman态, 实现介质各向异性。通过偏振光场对各向异性的原子介质的探测获得了里德堡态的TCPS。利用该里德堡态TCPS, 我们实现509nm激光对应于铯原子6P3/2 (F'=5)→70S1/2跃迁线的频率锁定。该TCPS提供了一种无调制的技术, 可用于多种里德堡态匹配的激光系统锁频, 对基于里德堡态精密测量有重要意义。

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角, 大大增强了原子磁强计的灵敏度。我们基于磁光旋转的铯原子磁强计, 在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系, 得到在一定原子气室损耗条件下获得最优磁测灵敏度的最佳腔镜反射率。利用平凹驻波腔, 在特定的腔镜反射率, 原子气室对光功率的损耗分别为9.5%和8.5%, 对应的腔逃逸效率为38%和41%, 腔对磁场灵敏度的增强因子为4.4和5.1; 在保持光与原子相互作用强度的情况下, 随着原子气室对光场损耗的降低, 磁场灵敏度进一步增强, 腔增强效果更显著。

通过铯原子D1线超精细跃迁能级的偏振光谱获得鉴频曲线,利用电子伺服系统将鉴频曲线反馈到894.6 nm 外腔式半导体激光器的压电陶瓷上进行锁定。由于偏振光谱技术不需要对激光器进行调制,因此不会带来额外的噪声。激光器自由运转400 s 内频率起伏为2.35 MHz,采用偏振光谱锁定激光器后400 s 内频率起伏为0.95 MHz,有效抑制了激光器的频率起伏。

对应于碱金属原子吸收线的非经典光是量子信息网络中重要光源之一, 近年来受到人们的广泛关注。而对应于铯原子D1线的非经典光场由于其独特的波长在固态量子信息网络中有重要应用前景。采用连续单频钛宝石激光器作为光源, 将输出的锁定于铯原子D1线的894.6 nm激光通过外腔倍频产生447.3 nm蓝光, 再用于抽运由周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体作为非线性介质的连续简并光学参量振荡器, 获得铯原子D1线的单模正交压缩真空光。光学参量振荡器阈值为39 mW, 在注入抽运光功率为30 mW时, 利用平衡零拍探测装置测得2.8 dB正交压缩度。考虑到探测效率, 光学参量振荡器输出光场的实际压缩度为4.4 dB。

相干布居俘获(CPT)磁强计是基于原子系综中相干布居俘获相干叠加暗态使用全光学的方法对磁场进行测量,具有较高的精度。实验中使用注入锁定的方法得到频率差严格等于铯原子基态超精细分裂间距的两束大频差位相锁定的双色激光,观察到了铯原子气室中的CPT透射信号。给铯泡加入沿激光传播方向的纵向磁场,可观察到变宽或分裂的CPT信号,通过对分裂间距的测量便可得到待测磁场值。对于中等强度的磁场,可通过透射峰的裂距直接得到待测磁场值;弱磁场区域则可通过电流与磁场的对应关系得到。目前,实验中可测量nT量级的稳定磁场。

实验测量并比较了铯原子气室和吸收型中性衰减片对852.356 nm单色激光的吸收系数，以及两种介质吸收系数随入射光强变化的行为。对选择吸收和普遍吸收作了分析。采用单色光场与二能级原子系统相互作用的模型，就铯原子气室对852.356 nm共振光的吸收系数随入射光强的变化规律做了分析和拟合。

通过探测在连续调谐抽运光作用下的气室对频率确定的探测光的吸收，可获得光抽运光谱，探测光和抽运光同时耦合不同的超精细跃迁时可形成光抽运光谱的峰值，此时两个光场有确定的稳定性依赖于原子能级的频率差。利用光抽运光谱并结合锁频环路，完成了参考频率为原子超精细分裂的连续半导体激光器间的偏频锁定。通过选择不同的超精细能级，两个激光器输出激光的频率偏移可以锁定在数百兆赫兹的激发态超精细能级间隔或约9 GHz的基态能级间隔附近。

激光光泵碱金属磁力仪具有很高的灵敏度,测量范围可以从地球磁场到生物磁场。给出了铯(Cs)光泵磁力仪的理论分析和系统设计以及磁场梯度测量原理,铯原子能级在I-J耦合时形成超精细结构,在外磁场的作用下超精细结构进一步产生塞曼分裂形成塞曼子能级,利用激光泵浦和射频磁场能够使电子在超精细结构中进行能级跃迁,产生光磁双共振的结果,最终通过共振频率就能够达到精确测量外磁场的目的。

利用数值方法计算了铯原子的Stark结构，经过对氢原子的数值计算与解析结果的对比，确认我们的计算程序是精确的。实验工作在超冷铯原子中完成，利用共振增强多光子电离光谱方法测量了铯原子n=16附近的Stark光谱，理论计算和实验结果相一致。

偏振光谱技术是一种高灵敏度和高分辨的光谱技术。提出一种基于可调平衡探测偏振光谱的实验方法，研究了不同偏振面下偏振光谱线型的变化趋势，观测到光谱线型随偏振片旋转产生的翻转现象。通过结合偏振理论与平衡探测理论，对线型翻转现象进行了解释，理论与实验符合得很好。同时，研究了色散型谱线峰峰值与抽运光强之间的依赖关系，发现在抽运探测光强比约为100时谱线强度出现饱和现象，为利用偏振光谱进行激光器频率稳定时选择参数提供了理论依据。