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腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics，腔QED）主要是研究受限空间内粒子与光场的相互作用。单个原子与高精细度光学微腔组成的强耦合系统可以使人们在单量子水平上研究单个光子与单个原子的动力学演化过程。原子与光场的强耦合不仅可以使我们完成对单个原子的灵敏探测，而且为量子态的制备、量子通迅和量子逻辑门的实现提供了一种重要的途径。单个原子与腔场强耦合的实现及耦合强度的有效控制是实现上述目标的核心问题。 本文工作主要围绕在单个原子与光学腔组成的强耦合系统中对单个原子的操控及测量所展开。工作重点如下： 1)在实验上搭建了将确定性数目的冷原子从磁光阱转移到光学微腔并实现单个原子与高精细度光学微腔（F-P腔）长时间强耦合作用的实验系统。整个实验系统主要由：真空系统、光学微腔、频率链系统、光学偶极阱、腔的透射收集系统以及实验数据采集和控制等部分构成。基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术，开发了实时反馈控制系统，使我们主动控制原子在腔模内的运动成为可能。 2)实现了单个原子与不同微腔横模如TEMmn（m=0，1，2，3，n=0）模的强耦合作用，并完成了对单个原子运动轨迹的高灵敏探测。在实验中发现随着微腔横模阶数的增加对原子位置及速度的测量精度也随着提高，与理论分析相吻合。在垂直于腔轴方向对原子的位置的测量精度可达到0.26μm，重力方向的测量精度为1.95μm/10μs，同时对单个原子在重力方向上速度的测量精度达到3mm/s。 3)利用微光学腔作为单原子探测器研究了磁光阱中冷原子的统计特性。通过实验上记录原子自由下落到达微腔腔模时刻的概率来确定初始磁光阱中冷原子温度的办法，对磁光阱中冷原子云的温度进行了优化，最终获得了温度为9μK的冷原子云，并通过蒙特卡罗方法模拟（Monte Carlo simulation）研究了原子叠加信号谱，经过模拟结果与实验结果的比较，以不同的方法得出了冷原子的温度信息，为微纳结构中冷原子温度的确定提供了一种新的途径。最后研究了从磁光阱下落到微腔原子束的二阶关联度，首次用光学微腔观测到了“热原子束”的聚束效应。 4)在沿微腔腔轴与垂直于腔轴的方向分别构建了934nm的驻波阱与1064nm的远失谐偶极阱（Far-off-resonance dipole trap，FORT）。通过微腔内沿腔轴方向的驻波偶极阱成功地将单个原子俘获在微腔腔模内，由于所用驻波偶极阱波长为魔术波长，同时也实现了对腔内原子的态不敏感的冷却与俘获，并进一步结合腔致冷却技术将单个原子在腔内亮阱中的驻留时间延长到约7ms。 5)利用光电负反馈技术成功地抑制了激光的强度噪声。分析了利用光电负反馈抑制激光的强度噪声的基本原理，并通过自行设计的反馈环路实现了对低频段0～140 kHz激光强度噪声的抑制，最大抑制值可达约10dB。该系统有望用于高稳定性FORT阱的构建方面。