里德堡原子是主量子数n较大的高激发态原子,具有原子半径大(~n2),寿命长(~n3)等性质。由于里德堡原子具有大的极化率(~n7),因此对外场非常敏感极易受外场操控。里德堡原子间具有很强的长程范德瓦尔斯以及偶极-偶极相互作用。人们在强相互作用的里德堡原子气体中发现激发阻塞效应(Blockade),利用该效应实现了量子逻辑门的操作,完成了单里德堡原子的激发。将里德堡原子间的强相互作用和与光子相互作用产生的相干效应相结合,将产生新奇的量子干涉现象,里德堡阶梯型三能级系统的Autler-Townes分裂等现象引起了广泛关注。实验上通过光子与里德堡原子耦合形成暗态偶极子(Dark-state Polariton),可以实现光信息的存储以及单光子源的制备,这些特性使里德堡原子成为量子信息存储具有潜在应用价值的介质。　　实验中利用激光冷却技术将铯原子俘获在MOT中,获得了温度~100μK,原子数~5×107,直径~700μm的超冷铯原子团。通过6S1/2→6P3/2→nD或nS的双光子激发过程,将基态超冷铯原子激发至里德堡态。利用脉冲场电离的方法电离里德堡原子,通过采集离子信号反映里德堡原子布居数的变化。　　本文以超冷铯里德堡原子作为主要研究对象,从理论和实验两方面计算和观测了里德堡原子中的量子相干效应。主要内容分为以下三个方面:　　一、建立光与里德堡原子阶梯型三能级系统相互作用的半经典模型,通过计算原子密度矩阵的演化方程,理论拟合了里德堡原子中A-T分裂的线型,并且唯象地计算了里德堡原子的相互作用对A-T分裂的影响。实验上通过改变强耦合光的拉比频率与失谐,系统研究了光场对A-T分裂效应的影响;通过改变里德堡原子密度以及主量子数n,研究了强的长程相互作用下,里德堡原子能级衰减对A-T分裂效应的影响。并提出参数η,用来作为光与原子所组成系统相干性强弱的判据。　　二、理论计算了电场下铯里德堡原子的Stark能谱,分析了nS态与(n-4)的高-l态能级回避交叉的原因。实验上观测到49S态与n=45的高-l态在电场强度为4.3以及5.5 V/cm附近的回避交叉点,与理论符合地很好。　　三、利用单脉冲电场,将初始制备在nS态的原子通过绝热和非绝热跃迁通道,经过回避交叉点态转移至(n-4)的高-l态。改变脉冲电场的强度,在较强的电场下,态转移比率较大。通过改变激发光强,调节里德堡原子密度,发现态转移比率与密度的线性依赖关系。最后通过改变主量子数n,得到态转移比率相同时,所需电场强度与主量子数n-5.89±0.4成正比。实验观测到原子在nS态与(n-4)高-l态之间的态转移现象随电场脉宽变化的演化过程。发现电场强度越大,饱和速度越快,饱和值越大。对比研究了电场强度,自由离子,主量子数等因素对态转移现象动力学演化过程的影响。加载双脉冲电场,研究了态转移现象中的相干特性,电场脉宽越小,系统的相干性越明显。利用Stark态波函数的演化提出了初步的理论解释。　　本文的创新之处在于:　　一、通过理论计算和实验观测,系统研究了里德堡原子间的强相互作用对光与原子相互作用的量子相干效应产生的影响。　　二、实验观测了铯里德堡原子Stark能级的回避交叉现象。利用电场诱导产生里德堡nS态→(n-4)高–l的态转移,对这一过程的动力学演化以及相干特性进行了研究。