用于腔量子电动力学研究的铯原子双磁光阱

建立了铯原子双磁光阱(MOT)系统用来制备腔量子电动力学(Cavity-QED)实验所需的处于超高真空(UHV)环境中的冷原子。采用一束聚焦的连续激光束将气室磁光阱从背景铯蒸气中冷却并将俘获到的冷原子有效地输运到超高真空磁光阱,实现了铯原子双磁光阱。实验中研究了输运光束的失谐量对于超高真空磁光阱中的稳态冷原子数的影响,同时对气室磁光阱和超高真空磁光阱的装载过程作了分析。气室磁光阱和超高真空磁光阱的典型气压分别约为1×10-6Pa和8×10-8Pa,典型的稳态冷原子数分别约为5×107和5×106,冷原子等效温度约72±4μK。     

85Rb和87Rb双磁光阱的同时实现及特性研究

双磁光阱的同步实现是利用冷原子干涉仪检验等效原理的重要实验基础之一。我们采用高频声光调制移频的方案获得了冷却囚禁85Rb和87Rb两种原子的激光,进而同步实现了两种原子的磁光阱。在此基础上,研究了双磁光阱中原子数与冷却光参数的关系,优化了实验参数,双磁光阱中两种原子的数目均达到109。     

准二维磁光阱中俘获长条形冷原子团

介绍了在准二维磁光阱(2D+MOT)中获得超冷原子的实验装置及结果。利用四个矩形线圈、四束椭圆形光斑光束加两束圆形光斑激光束,得到准二维磁光阱,它的特点是势阱为长条形,轴向束缚较小,势阱整体体积比较大,因而可以俘获到数目较多的超冷原子。实验中心附近的磁场梯度为13×10-3Tcm,椭圆型光斑的长短轴为24mm7mm,圆形光斑直径为7mm,光斑功率分别为18mW,6mW。在该势阱中俘获长条形冷原子团的长度为12mm,直径为15mm,原子数为11×107,温度为400μK。     

基于拉曼泵浦-探测光谱的冷原子温度估算

提出了基于拉曼泵浦-探测技术得到的原子吸收谱线获取冷原子温度的方案,并将其应用于85Rb原子磁光阱中.实验中,原子在囚禁光和探测光的共同作用下发生受激拉曼跃迁,产生亚自然线宽的类色散峰,通过把该类色散峰与理论模型进行拟合估算出被囚禁85Rb冷原子团的温度为230 μK.相对于飞行时间测温法,该方案提供了一种简捷的测量冷原子温度的方法.     

基于光锁相环的稳频深紫外激光系统

介绍了一种利用光锁相环技术实现频率稳定的深紫外激光系统,包含两台253.7 nm四倍频激光器,用于汞原子在二维磁光阱和三维磁光阱的激光冷却。其中,一台深紫外激光器锁定在汞原子的饱和吸收谱线上,用于产生二维磁光阱的冷却光和推送光;另一台深紫外激光器通过1014.9 nm的半导体种子激光之间的光锁相环实现频率稳定,用于产生三维磁光阱的冷却光和探测光,并通过前馈方法将频率切换时间减小到原来的1/23。该系统可以大范围地调整深紫外激光器的频率,高效地利用紫外激光功率,并降低了实验装置的复杂性,从而满足了汞原子激光冷却实验的要求。同时,所提方法适用于其他深紫外激光系统。     

冷原子干涉仪中二维磁光阱线圈的优化设计

大通量冷原子源是实现高精度冷原子干涉仪的关键技术之一。为获得大通量冷原子源,通常采用二维磁光阱(2D-MOT)和三维磁光阱(3D-MOT)的级联结构,其中2D-MOT的磁场分布是影响其性能的重要因素。通过数学建模及有限元分析,对2D-MOT中不同构造(长方形、跑道形、马鞍形)的反亥姆霍兹线圈进行数值计算,分析了不同构造线圈的磁场分布及因在制造与装配过程中产生的偏心、线圈不对称、平行度及内径不对称误差造成的磁场零点漂移和磁场梯度变化。分析结果表明,在偏心误差C1.14 mm,线圈不对称误差I0.016 A,平行度误差1.02时,马鞍形线圈产生的磁场梯度更有利于制备大通量冷原子源。该结果为冷原子干涉仪2D-MOT的磁场系统设计和加工提供了理论指导。     

偏磁场可控平行载流导线冷原子分束器

提出了一种采用平行载流导线的偏磁场可控的中性冷原子磁导引方案,计算了不同横向偏置磁场 情况下的横截面磁场分布,讨论了磁阱中心位置的变化,可以实现单通道或双通道可控磁导引。在此方案基础上,构建了一种利用纵向均匀偏置磁场 实现可控分束比的冷原子分束器方案,计算了横向磁阱的分布,给出了分束器的磁场等高面分布,并采用经典Monte-Carlo方法,模拟了冷原子在原子分束器中的动力学过程,得到了可调分束比的结果,验证了该方案的可行性。当纵向均匀偏置磁场 从- 0.005G增加到0.005G时,左右输出端的分束比从0.9/0.1变化到0.1/0.9。     

冷原子束或超冷原子束的产生及其应用

综述了冷原子束或超冷原子束产生的基本原理、方法和实验结果及其最新进展.重点介绍了建立在激光冷却(多普勒、亚多普勒和亚反冲冷却机制)和磁光阱技术基础上的冷原子束或超冷原子束产生方案,并简单介绍了冷原子束或超冷原子束在基础物理问题研究和原子光学等领域中的应用.     

基于蒙特卡罗方法进行冷原子束模拟和参数优化

采用蒙特卡罗方法对基于制备低速浓密原子源(LVIS)产生的三维磁光阱(3D MOT)冷原子束过程进行模拟和系统性能参数优化。在Matlab软件中产生位移满足均匀分布,速度满足麦克斯韦波-尔兹曼分布的107个原子,通过仿真计算得到冷原子束的纵向速度分布和原子通量等关键参数。当冷却光光强为3mW/cm2,失谐量为5Γ时,模拟得到的原子束的纵向最概然速率为8m/s,速度分布的半峰全宽(FWHM)约为2m/s。模拟和实验研究了原子束最概然速率和通量随冷却光光强和失谐量变化的关系,结果表明冷却光失谐量为影响冷原子束速度分布和通量的主要因素,而冷却光功率在达到一定饱和强度后对原子束性能影响不大。     

晶格原子光学及其应用

首先介绍了近年来发展起来的晶格原子光学,包括冷原子光学晶格、磁晶格和磁光晶格,并报道了国内一些小组研究磁晶格和磁光晶格的一些新结果.其次,简单综述了光学晶格中原子动力学、玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和量子态的相干传输与控制等晶格原子光学研究的最新进展.最后,介绍了冷原子光学晶格、磁晶格和磁光晶格在光子晶体制备等方面的潜在应用.     

原子源的制备与相干性检测

利用不平衡三维磁光阱(3D-MOT)技术,制备了低速、高通量的连续型原子束。通过使一束冷却光沿着光传播方向形成"中空光束",在MOT中形成一对具有不平衡光辐射压力的对射光束,压力将MOT中冷却与陷俘的87 Rb原子云团从"中空光束"通道中推出产生连续出射的原子。形成的原子束具有一定的速度和速度分布,可反映原子束的相干性。对所制备原子束的相干性进行了测量和分析,结果表明,所产生的原子束的最可几速度约为12m/s,纵向速度分布约为3m/s,对应的德布罗意波波长约为0.4nm,带宽为0.1nm。通过光电倍增管(PMT)收集的荧光强度推算得原子束通量为108～109 atoms/s。     

一种新型的中性原子交流电磁囚禁

提出了一种新型的冷原子强场seeking态磁势阱 ,利用的是原子在交变四极场中受到的梯度力。计算结果表明通过选择合适的参数 ,可以控制势阱在轴向和径向的势阱深度。在得到一个径向势阱深度达 0 6mK ,纵向深度为 0 5mK的交流磁势阱 ,可以将温度为～ 10 0 μK的冷原子囚禁在径向 1mm ,纵向 4mm的范围内。如果撤消轴向囚禁 ,还可以获得一个径向囚禁深度为 1 8mK ,能将温度为～ 10 0 μK的冷原子囚禁在径向 5 0 μm范围内的新型磁导管。     

A hybrid laser-magnet trap for spin-polarized atoms

This paper presents a brief survey of theoretical issues related to a hybrid laser-magnet trap for neutral spin-polarized atoms. At low densities, such a trap might be used to address a number of fundamental questions, e.g. the interaction of an individual atom with an electromagnetic field, while at high densities it might be used for “containerless” preparation of bulk amounts of a new metastable form of matter, spin-polarized atoms. In particular, a discussion is presented of the feasibility and limitations of a trap based on a near-resonant CW TEM^*₀₁ (“doughnut mode”) laser beam, which provides trapping in two dimensions, and on a strong homogeneous solenoidal magnetic field (the axis of which is also the laser axis), which provides trapping in the third dimension.     

激光陷阱的稳定性

本文提出一种判定用于捕陷中性气态原子激光陷阱稳定性的方法,从理论上证明了双高斯光束陷阱在轴向对中性气态(二能级)原子的捕陷可以是稳定的。讨论了用三组结构相同但互相垂直相交的双高斯光束陷阱构成的三维立体陷阱的稳定性。     

环形光对光阱有效捕获力的提高

定义了光阱的有效捕获力 ,然后在几何光学范围内计算了环形光束形成的光阱———空心光阱的有效捕获力 ,并把空心光阱与实心光阱产生的光阱有效捕获力作了比较。数值计算结果得到空心光阱的有效捕获力大大提高 ,光阱的稳定性也随之提高 ;而且空心光阱对捕获对象的热损伤效应相应减小。     

铯原子喷泉的飞行时间信号

应用激光冷却与囚禁的铯原子喷泉是新一代的频率基准。报告了冷原子云上抛信号的序列测量 ,发表了飞行时间 (TOF)信号的基本估算公式 (估算原子云温度和TOF峰值信号强度 ) ,讨论了理论计算和实验测量的比较     

Rb+(Ar,N2)混合蒸气中5P3/2能级有效辐射率的计算和测量

计算和测量了Rb (Ar,N2)混合蒸气中Rb(5P3/2)共振能级的有效辐射率。使用单模半导体激光器(抽运激光)将Rb原子激发至5P3/2态,另一调谐到5P3/2→7S1/2的单模激光束(检测激光)与抽运光束反平行通过样品池,并在池的径向平行移动,通过检测激光束的吸收测定了激发态原子密度及其空间分布。由于辐射陷获存在,有效辐射率为自然辐射率与透射因子(发射的光子在探测区域内没有被吸收的平均概率)的乘积。5P3/2原子密度及其空间分布结合5P3/2←5S1/2跃迁线的碰撞增宽计算了透射因子,从而得到了不同Ar或N2气压下,RbD2线的有效辐射率。对5P3/2-Ar系统,在不同气压下测得的D2线强度比值与有效辐射率计算值的比值相符。对于5P3/2-N2系统,研究了电子态向振动态的碰撞转移,得到了转移截面。     

基于激光冷却技术的中性锶原子特性研究

为了研究碱土金属类的中性锶原子在多普勒冷却激光场中的冷却特性,从Heisenberg方程出发,采用激光冷却理论分析得到锶原子在能级跃迁（5s2）1S₀~（5s5p）1P₁ 1维驻波激光光场和3维磁光阱中冷却效果与激光强度、失谐量等冷却激光场参量的关系。结果表明,当锶原子处在1维驻波激光光场中且在弱激光光场、频率小失谐条件下,锶原子所受耗散力与这两个参量呈线性关系,但当两个参量增长至一定程度时耗散力呈现饱和现象;当锶原子在3维磁光阱中且当阱中激光光场的频率失谐为-16MHz时,碱土金属锶原子有最低冷却温度,约为0.76mK。对多普勒冷却光场中性锶原子特性的分析为其它碱土金属类原子的冷却研究提供了一定的理论指导。