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超冷原子光晶格阱深的高精度标定

光学学报 2025年

作者：杨雯馨李云达刘方德赵非凡姚新江王鹏军黄良辉陈良超韩伟孟增明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

光晶格是超冷原子量子调控实验的重要工具，为凝聚态物理、强关联电子系统以及新奇拓扑物态的量子模拟提供了一个理想的研究平台。高精度标定光晶格阱深是实现高保真量子态操控和提升量子系统性能的关键。本文利用多脉冲Kapitza-Dirac... 详细信息

光晶格是超冷原子量子调控实验的重要工具，为凝聚态物理、强关联电子系统以及新奇拓扑物态的量子模拟提供了一个理想的研究平台。高精度标定光晶格阱深是实现高保真量子态操控和提升量子系统性能的关键。本文利用多脉冲Kapitza-Dirac衍射原理，通过施加一系列预设的光晶格脉冲，提高了衍射信号的强度和分辨率，实现了光晶格阱深的高精度标定。对比分析了多脉冲及单脉冲Kapitza-Dirac衍射、Raman-Nath衍射和参量振荡加热法标定光晶格阱深的实用性和局限性，为围绕光晶格开展的量子精密测量和量子模拟实验提供了技术参考。

关键词：原子与分子物理光晶格超冷原子阱深标定精密测量

结合光学反馈以及光学锁相环的量子级联激光器线宽压窄和频率控制技术研究

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物理学报 2025年第1期74卷 159-167页

作者：高健焦康赵刚尹润涛杨家琪闫晓娟陈宛宁马维光贾锁堂山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006 燕山大学西里西亚智能科学与工程学院秦皇岛066000

中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源,限制了中红外精密光谱的发展.本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术,通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分,再使用光学锁相环将激光频率... 详细信息

中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源,限制了中红外精密光谱的发展.本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术,通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分,再使用光学锁相环将激光频率偏频锁定到另外一个超稳中红外激光源上.通过相位超前电路拓展锁定带宽,系统锁定后,将功率谱中心窄拍频信号提高66 dBm,低频区域相位噪声抑制到-81 dBc/Hz@2 kHz,高频区域相位噪声抑制到101 dBc/Hz@2 MHz,激光器线宽从3.8 MHz被压窄到3 Hz.最终,利用该激光器进行腔衰荡光谱信号的测量,相较于未锁定激光,信号的信噪比提升了5倍.

关键词：量子级联激光器光学锁相环光学反馈

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基于亚多普勒wm-NICE-OHMS的14CO2光谱测量技术理论研究

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物理学报 2025年

作者：李勇周晓彬赵刚尹润涛杨家琪闫晓娟马维光山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学极端光学协同创新中心

14CO2光谱检测在大气环境学和同位素定年等领域中具有重要应用，但由于其自然丰度极低且光谱重叠干扰严重，检测难度极大。基于亚多普勒光谱的噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）技术因其具有高的灵敏度和选择性，有望成为下一... 详细信息

14CO2光谱检测在大气环境学和同位素定年等领域中具有重要应用，但由于其自然丰度极低且光谱重叠干扰严重，检测难度极大。基于亚多普勒光谱的噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）技术因其具有高的灵敏度和选择性，有望成为下一代14CO2检测方法。本文理论分析了亚多普勒NICE-OHMS光谱测量技术。通过模拟真实大气光谱，选择2209.108 cm-1处的14CO2跃迁线作为最佳测量目标，建立了14CO2亚多普勒饱和吸收NICE-OHMS模型，并与多普勒展宽光谱进行对比，验证了波长调制（wm-）亚多普勒NICE-OHMS技术可有效抑制光谱重叠干扰，实现高分辨率的14CO2光谱测量。最终，通过数值模拟分析了压强和调制系数等参数对信号幅度的影响，确定了最佳实验条件，为高灵敏14CO2光谱测量提供理论依据。

关键词： NICE-OHMS 理论仿真放射性碳同位素检测

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四波混频和分束器网络中的量子导引

光学学报 2025年第1期45卷 291-298页

作者：李晓玲翟淑琴刘奎山西大学物理电子工程学院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山西大学极端光学协同创新中心

多组份量子导引具有独特的单向性和优越的灵活性，对于实现安全且高效的量子通信具有更大的优势和更广泛的应用前景。本文提出基于两个四波混频过程和线性分束器网络产生两个四模高斯态的方案，具体利用一个和两个线性分束器联合两个独... 详细信息

多组份量子导引具有独特的单向性和优越的灵活性，对于实现安全且高效的量子通信具有更大的优势和更广泛的应用前景。本文提出基于两个四波混频过程和线性分束器网络产生两个四模高斯态的方案，具体利用一个和两个线性分束器联合两个独立的四波混频过程，分别实现了四组份量子导引。对输出模式进行分析，两个方案都表现出丰富的多组份量子导引类型。基于第一个方案，第二个方案增加了一个线性分束器，通过调节线性分束器的透射率，方案一中没有的单模间导引在方案二中可以实现灵活操控（单向或双向不对称），同时联合导引的构型更加丰富。这对于构建需要的量子网络，实现安全的量子秘密共享和高效的量子通信任务具有重要的应用和意义。

关键词：量子光学量子通信四波混频过程多组份导引量子秘密共享

含自旋-轨道耦合的O_(2)^(-)光谱常数计算

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物理学报 2025年第2期74卷 31-45页

作者：刘铭婕田亚莉王瑜李晓筱和小虎宫廷孙小聪郭古青邱选兵李传亮太原科技大学应用科学学院山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心太原030024 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

本文采用完全活性空间自洽场(complete active space self-consistent field,CASSCF)和加戴维森校正的多参考组态相互作用(multireference configuration interaction with Davidson correction,MRCI+Q)方法,研究了超氧阴离子(O_(2)^(-))的低激发电子态及自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)效应对电子态的影响.使用aug-cc-pV5Z-dk基组,计算了O_(2)^(-)第一和第二解离极限对应的42个Λ-S态的势能曲线(potential energy curves,PECs)以及束缚态的光谱常数.同时考虑SOC效应,计算了这42个Λ-S态分裂形成的84个Ω态的PECs和部分束缚态的光谱常数.其中第一解离极限结果与已有文献高度一致,第二解离极限结果为本文计算提供.这些结果为研究O_(2)^(-)的电子结构和光谱性质提供了重要的理论依据.针对a^(4)Σ_(4)^(-)态的双势阱现象,本文通过比较不同基组下的计算结果,证实了a^(4)Σ_(4)^(-)态的双势阱形成源于与a^(4)Σ_(4)^(-)态的避免交叉影响.此外,研究发现基组大小直接影响a^(4)Σ_(4)^(-)态的首个势阱深度,这进一步表明基组选择对光谱常数计算的精确性至关重要.本文数据集可在科学数据银行https://***/10.57760/sciencedb.j00213.00076中访问获取.

关键词： O_(2)^(-) MRCI+Q 自旋-轨道耦合光谱常数

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面向地基引力波探测频段的超低噪声激光强度噪声评估系统

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物理学报 2025年第3期74卷 127-134页

作者：李响王嘉伟李番黄天时党昊赵得胜田龙 ‡史少平李卫尹王保郑耀辉山西大学光电研究所光量子技术与器件全国重点实验室太原030006 山西大学激光光谱研究所光量子技术与器件全国重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

引力波的直接探测打开了认识宇宙的新窗口,开辟了多信使天文学,各种天文事件产生引力波的频段涵盖范围较大,不同频段引力波的探测机理及方案不尽相同.目前,正在运行的地基引力波探测装置的探测频段主要集中在10 Hz—10 Hz范围,为达到探... 详细信息

引力波的直接探测打开了认识宇宙的新窗口,开辟了多信使天文学,各种天文事件产生引力波的频段涵盖范围较大,不同频段引力波的探测机理及方案不尽相同.目前,正在运行的地基引力波探测装置的探测频段主要集中在10 Hz—10 Hz范围,为达到探测灵敏度需求,要对激光强度噪声进行准确评估并通过光电反馈将其抑制到≤2.0×10^(-9)Hz-1/2@10 Hz以及≤4.0×10^(-7)Hz^(-1/)2@10 kHz.本文基于激光噪声机理分析,通过探究极小噪声评估方案,研发低噪声光电探测器,对比前置放大器不同放大倍数对信号的噪声耦合,编写上位机操控及数据处理程序,从而构建了低噪声高精度集成化激光强度噪声评估系统.实验结果表明,前置放大器以及动态信号分析仪的整体电子学噪声为3.8×10^(-9)Hz^(-1/2)@(10 Hz—10 kHz);光电探测器电子学噪声为1.4×10^(-8)V/(Hz)^(1/2)@10 Hz&8.1×10^(-9)V/(Hz)@10 kHz,通过标准正弦信号进行校准等措施,检验了评估系统的准确性.相关研究结果为制备高功率低噪声激光光源及引力波探测等领域提供了实验基础.

关键词：激光强度噪声评估引力波探测低噪声激光光源低噪声光电探测

0.1 mHz-1 Hz频段超低噪声光电探测器实验研究

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物理学报 2025年

作者：尚鑫李番马正磊黄天时党昊李卫尹王保田龙陈力荣郑耀辉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山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学极端光学协同创新中心山西大学物理电子工程学院

本文针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz-1 Hz频段激光强度噪声需求，基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点，采用零偏置电压方案，结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路，优化跨阻电容以及跟随电路... 详细信息

本文针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz-1 Hz频段激光强度噪声需求，基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点，采用零偏置电压方案，结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路，优化跨阻电容以及跟随电路；并进一步通过主动温控对光电二极管控温来稳定光电二极管响应度，研发出在0.1 mHz-1 Hz频段内超低电子学噪声的光电探测器。利用自研的强度噪声评估系统对其噪声进行时域及频域全面评估测试，实验结果表明：所研发探测器的电子学噪声谱密度达到2×10-6V/Hz1/2@0.1 mHz-1 Hz，探测器增益能够达到 35 kV/W @1064 nm。该探测器噪声性能小于空间引力波探测中对激光强度噪声(10-4/Hz1/2)要求两个数量级，为高增益光电反馈控制以及空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件及技术支撑。

关键词：空间引力波探测激光强度噪声光电探测器毫赫兹频段

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基于纳秒光脉冲激发的里德伯原子光谱

物理学报 2025年第1期74卷 125-132页

作者：蔡婷何军刘智慧刘瑶苏楠史鹏飞靳刚成永杰王军民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 北京无线电计量测试研究所北京100039 山西大学省部共建极端光学协同创新中心太原030006

通过852 nm连续激光和509 nm脉冲激光级联激发,在室温铯原子气室中实现了里德伯原子电磁诱导透明(EIT)光谱.509 nm纳秒激光脉冲功率~173 W,脉冲重复频率在300 kHz-100 MHz范围连续可调,脉宽在1-100 ns范围连续可调.实验研究了里德伯EIT... 详细信息

通过852 nm连续激光和509 nm脉冲激光级联激发,在室温铯原子气室中实现了里德伯原子电磁诱导透明(EIT)光谱.509 nm纳秒激光脉冲功率~173 W,脉冲重复频率在300 kHz-100 MHz范围连续可调,脉宽在1-100 ns范围连续可调.实验研究了里德伯EIT光谱与509 nm脉冲激光参数的关系.时域周期脉冲光在频域上等效为相干频率梳,通过激光脉冲参数调节实现了可控速度群原子的里德伯态激发.基于光脉冲激发的原子干涉光谱具有高信噪比,在量子传感和量子模拟领域有潜在的应用价值.

关键词：里德伯原子纳秒脉冲激光电磁感应透明光谱速度选择光谱

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面向地基引力波探测的高功率单频光纤激光系统

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中国激光 2025年第06期 99-107页

作者：王嘉伟李响李番党昊黄天时赵得胜田龙李卫郑耀辉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山西大学极端光学协同创新中心

针对第三代地基引力波探测对连续单频低噪声高功率激光器的需求，基于主振荡功率放大结构，利用低噪声光纤激光种子源，通过三级全光纤放大系统，实验研制了输出功率达20 W的连续单频1550 nm全光纤激光系统。在主被动温控优化后，激光... 详细信息

针对第三代地基引力波探测对连续单频低噪声高功率激光器的需求，基于主振荡功率放大结构，利用低噪声光纤激光种子源，通过三级全光纤放大系统，实验研制了输出功率达20 W的连续单频1550 nm全光纤激光系统。在主被动温控优化后，激光器自由运转时的相对强度噪声为1.5×10-6/Hz1/2@10 Hz。进一步自主研发了高功率低散粒噪声的光电探测器及电压基准源，利用光电负反馈控制技术抑制了激光系统在10 Hz10 kHz频段范围内的强度噪声。实验结果表明：当输出功率为20 W时，10 Hz频段处的相对强度噪声为10-5/Hz1/2,2 kHz以上频段处的相对强度噪声低于4×10-8/Hz1/2。相关研究结果为高功率单频激光噪声的抑制及第三代地基引力波的探测提供了参考。

关键词：强度噪声抑制高功率单频激光光电反馈光纤放大器引力波探测