高精细度超稳光学法布里-珀罗腔可以提供高精度的频率标准和频率分辨能力, 在光学频率原子钟和量子精密测量等领域发挥重要作用, 将其控温至零膨胀温度点可进一步有效提高超稳光学腔共振频率的稳定度。实验中构建了一套由超低膨胀系数的微晶玻璃材料制作的球型平凹 F-P腔, 镀有1560.5?nm和637.2?nm双波长高反多层介质膜, 放置于可以精确控温的超高真空系统中。利用射频调制边带法测量得到超稳光学腔的自由光谱区为3.145?GHz, 腔线宽～100?kHz, 得到超稳光学腔在设定波长的精细度可高达30?000以上。在此基础上通过倍频波导器件将1560.5?nm激光倍频至780.25?nm, 利用超稳光学腔共振频率和铷原子饱和吸收谱的对比, 获得超稳光学腔在不同温度下共振频率的精确数值, 根据相对腔长变化测量超稳光学腔系统的热膨胀特性, 拟合得到零膨胀温度为10.688±0.115?°C。高精细度光学腔提供了稳定的频率基准, 同时可有效压窄激光线宽, 抑制相位噪声, 是产生优质光源的重要工具。我们已将其优异的短期频率稳定性和极低的频率噪声应用于通过高稳定度的?637.2?nm红光腔增强倍频实现高稳定度的318.6?nm窄线宽紫外激光, 进一步用于铯原子单步里德堡直接激发和里德堡缀饰基态铯原子系综方面的研究。

光学腔借助其特殊的共振线型,成为激光、精密检测、光传感、光开关等技术中尤为重要的光波器件。对已报道的光学腔中几种不同共振线型(洛伦兹型尖峰、洛伦兹型凹谷、不对称Fano型等)进行评述,并分析形成机制。最后,以硅基微环腔为例,提出调控这些共振线型的方法和相关器件结构。

结合干涉光刻和磁控溅射制备了一维周期性起伏的磁性多层薄膜。利用扫描探针显微镜对样品的微结构进行表征,利用椭偏仪和磁光测量系统对样品的光学性能参数和磁光克尔效应进行测试和研究。实验结果发现,磁性多层薄膜磁光性能得到极大的提升,磁光增强的克尔谱峰值与条带的宽度、中间层二氧化铪层的厚度有关;利用介质层的厚度可调制复合薄膜的磁光特性。进一步研究发现横克尔效应的增强现象。理论计算的结果证实,磁光增强源于光学腔干涉共振和磁等离激元的耦合效应。

超稳激光是将激光频率稳定在超稳定光学腔的谐振频率上产生的,为了研制可搬运光钟所需的超稳钟激光, 需要研制可搬运超稳定光学腔。通过光学腔的有限元分析,设计了一个振动敏感度低且结构稳健性好的可搬运光学腔,其腔长为30 cm, 是目前已知腔长最长的可搬运光学腔。光学腔沿三个正交方向的振动敏感度的测量结果分别为：沿光学腔腔轴方向(水平)为 1.4 × 10 －10 g －1 ; 垂直光学腔腔轴方向(水平)为1.5 × 10 －10 g －1 ; 垂直光学腔腔轴方向(竖直)为1.2 × 10 －10 g －1 。腔的振动敏感度略优于普通水平放置的光学腔,且腔具有更高的结构稳健性,可水平或者竖直安装。该光学腔设计可用于研制可搬运光钟。

通过引入自动扫描光栅单色仪, 实现了快速色散测量, 极大程度地降低了载波包络偏频慢漂对测量准确度的影响, 降低了测量复杂度, 提高了色散测量精度。以815 nm钛宝石锁模激光器作为光源, 以自建的八镜光学腔作为参考, 对厚度约为6.35 mm的熔融石英窗片的群延迟色散(GDD)进行了测量, 结果与Sellmeier方程给出的理论值相差1.2 fs2, 不准确度仅为0.5%。测得八镜光学腔在常温常压状态下的GDD为28.8 fs2, 比理论值低约12 fs2, 原因可归结为8片腔镜镀膜的不均匀性。

为了降低超稳光学腔的振动敏感度, 在综合考虑振动所导致的腔镜位移及转动后, 定义了一个新的表征腔体振动敏感度的参量。采用有限元数值分析方法, 用所定义的单一参量优化了一个典型的立式超稳光学腔。优化过程考虑了腔体端面直径、支撑孔位置和深度等关键几何参量。结果表明, 优化后的腔体结构和支撑方式可以明显降低超稳腔对振动的敏感度, 腔体稳定性比优化前提高1.5倍。该优化方法操作性强, 能够有效提升超稳腔仿真和设计的效率。

为了降低环境振动对光学谐振腔稳定性的影响，设计了对振动不敏感的超稳腔，采用有限元数值模拟的方法，通过改变相关参量，对两U型片支撑和双横梁支撑两种圆柱体腔的支撑方式进行了数值模拟，得到了腔体的形变图。结果表明，通过改进腔的支撑方式和调整支撑位置，可以降低腔长对振动的敏感度，找到腔长变化最小且两腔镜平行的关键支撑位置。该结果可用于激光稳频和高精密激光光谱实验中。

建立了一种纳秒级多腔式激光脉冲扩展系统。通过激光脉冲展宽，该系统可以有效降低脉冲激光的峰值功率，从而在激光燃烧诊断实验中避免激光诱导等离子体的产生，减少背景干扰，有效提高信噪比。建立了理论模型，对影响脉冲展宽的分束比、腔长以及光学腔个数等几个主要参数进行了分析，并通过数值计算实现了各参数的优化。利用建立的多腔串联式激光脉冲展宽器，对Nd∶YAG脉冲激光器二倍频激光进行了脉冲展宽，将脉宽为7.8 ns的脉冲激光分别展宽为17，35和72 ns，激光的峰值功率最大可降低为原激光峰值功率的9％左右，并保持了较好的光束质量。将该展宽器应用于自发喇曼散射实验中，很好地解决了激光诱导击穿光谱对喇曼信号的干扰，取得了较好的实验结果。

We propose a scheme to prepare the Bell states for atomic qubits trapped in separate optical cavities via atom-cavity-laser interaction. The quantum information of each qubit is encoded on the degenerate ground states of the atom, so the entanglement between them is relatively stable against spontaneous emission. The proposed scheme consists of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) with two arms, and each arm contains a cavity with an N-type atom in it. It requires two classical fields and a single-photon source. By controlling the sequence and time of atom-cavity-laser interaction, the deterministic production of the atomic Bell states is shown. We also introduce the generalization of the present scheme to generate the 2N-atom Greenberger-Horne-Zeilinger state.