中性原子的激光导引及其应用

文章综述了采用中空光纤中红失谐高斯模式,红失谐高斯激光束,中空光纤中蓝失谐消逝波和蓝失谐暗中空光束实现中性原子激光导引的原理,方法和实验及其最新进展,并简单介绍了激光导引原子技术在原子光学领域中的应用。     

三维光学晶格中铯原子的装载与冷却

建立了四光束的三维光学晶格势场,在铯原子磁光阱和光学粘团的基础上实现了红失谐三维光学晶格中冷原子的装载.借助于短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度,通过改变光学晶格的总光强和频率失谐等条件,对光学晶格中铯原子的亚多普勒冷却以及光学晶格中冷原子的寿命进行了研究. 关键词： 光学晶格 磁光阱 光学粘团 冷原子     

基于红失谐高斯光束的冷原子束流长距离传输

提出了一种利用红失谐高斯光束偶极力实现二维磁光阱长距离传输冷原子束的方案.利用二能级原子所受散射力公式分析并构造了87 Rb原子在光偶极阱二维磁光阱(2D-ODT MOT)中的受力公式,考虑了原子与背景气体碰撞的影响,利用四阶龙格-库塔法求解原子运动方程,获得原子的运动轨迹,统计并求出原子在不同高斯光束失谐以及功率条件作用下进入差分泵浦范围的原子数.实验验证了在红失谐高斯光束与原子束推送光相互组合的4种工作状态下科学实验腔中磁光阱冷原子装载情况.理论与实验结果表明:基于红失谐高斯光束的二维磁光阱长距离传输冷原子束的效果提升显著,科学腔原子装载效率明显提升、原子数目明显增加.     

近共振三维光学晶格中铯原子温度的参数依赖

介绍了四光束三维近共振光学晶格的方案,在铯原子磁光阱和光学粘团的基础上搭建了近共振光学晶格的光路,实现了光学晶格中冷原子的装载.利用短程飞行时间吸收法测量了近共振光学晶格中冷原子的温度,通过改变晶格的光强和失谐等条件,对近共振光学晶格中铯原子的亚多普勒冷却的参数依赖关系作了实验研究,并与光学粘团作了比较.     

原子反射镜及其应用

原子反射镜是人们从事原子光学实验研究的重要器件之一.本文将简单综述采用冷原子磁、光操控技术发展起来的诸如消逝波原子反射镜、半高斯光束原子反射镜、周期性磁化的磁带反射镜、周期性排列的永久磁铁反射镜和载流导线磁反射镜等各种原子反射镜的基本原理、实验方案及其最新进展,并就原子反射镜在原子光学实验中的应用作一简单介绍.     

基于~(87)Rb原子的大失谐光晶格的设计与操控

提出了一种基于~(87)Rb原子的大失谐光学晶格的设计方案,详细介绍了光晶格光束的校准、频率失谐的调整以及光强输出的控制方式.在磁光阱和偏振梯度冷却的基础上,研究了光学晶格的总光强和频率失谐等参数对原子装载的影响,实现了光晶格中冷原子的绝热装载与卸载.通过光强调制的方法,测量了光晶格的振动频率.光晶格的引入,使得温度降低为原有的1/3.涉及的系统设计和结论对其他碱金属原子光晶格的实验设计具有参考价值.     

~(87)Rb玻色-爱因斯坦凝聚体的快速实验制备

采用二维磁光阱产生了-个快速~(87)Rb原子流,并在高真空的三维磁光阱中实现了~(87)Rb原子的快速俘获,进一步采用射频蒸发冷却技术实现了原子云的预冷却,然后将原子转移到远失谐的光学偶极阱中蒸发得到了玻色-爱因斯坦凝聚体.实验上可以在25 s内完成三维磁光阱的装载(约1.0×10~(10)个~(87)Rb原子),然后经过16 s的冷却过程最终在光学偶极阱中获得5.0×10~5个原子的玻色-爱因斯坦凝聚体.实验重点研究了二维磁光阱的优化设计和采用蓝失谐大功率光束对四极磁阱零点的堵塞,抑制四极磁阱中原子的马约拉纳损耗,更加有效地对原子云进行预冷却.     

一套实用的铯原子喷泉光学系统的设计及建立

介绍了实现铯原子喷泉的过程及条件,并详细讨论了光路中各种光学元件对铯原子喷泉光学系统性能的影响。在对各种光学元件性能综合考虑的基础上,设计并建立了一套用于进行激光冷却和上抛的铯原子喷泉的光学系统,使光强控制、失谐调整、光束开关、光束质量等多种参量的控制达到了技术要求。在此基础上,实现了铯原子磁光阱,为实现铯原子喷泉奠定了基础。     

可控双空心光束的理论方案及实验研究

提出了一种利用双周期弧向非满额相位调制的方法产生双空心光束的方案. 当准直氦氖激光通过1.5 mm半径透光孔照射到该相位图样时, 在200 mm成像透镜像空间获得长30 mm, 间距57.6μm, 单管束宽度0.11–0.14 mm的双空心光束. 该方案结构简单, 产生的双空心光束具有较好的可控性, 双光管间距由相位调制因子p决定, 能够实现从双空心光束到单空心光束的双向演化. 对所提出的方案进行了实验研究并得到与理论相符的结果. 利用多种组合方式讨论了将该方案拓展到蓝失谐光学囚禁势阱, 可以实现可控的空心双光阱、四光阱与光学晶格等, 有望在冷原子、冷分子囚禁与操控等领域的实验研究中发挥重要作用.     

全光学冷却与囚禁133Cs原子玻色-爱因斯坦凝聚的可能性

综述了近年来有关蒸发冷却¹³³Cs原子样品的实验进展,分析了磁囚禁¹³³Cs原子玻色爱因斯坦凝聚(BEC)的困难,并在此基础上提出了一个全光型冷却与囚禁¹³³Cs原子BEC的新方案.该方案主要由一个来自半导体激光(λ=0852μm)的倒金字塔形中空光束重力光学囚禁(pyramidal-hollow-beam gravito-optical trap,缩写为PHB GOT)和一个来自Ar⁺激光(λ=05013μm)的圆锥形中空光束重力光学囚禁(conical-hollow-beam gravito-optical trap,缩写为CHB GOT)组成.在PHB GOT中,冷原子经历了一个有效的中空光束感应的Sisyphus冷却(也即强度梯度冷却)和抽运光感应的几何冷却,原子温度将被从磁光囚禁(MOT)温度(约为60μK)冷却至几个光子反冲极限(约为2μK);而在Ar⁺中空光束囚禁(CHB GOT)中,冷原子将被Raman冷却或速度选择相干粒子数囚禁技术(velocity-selection coherent population trap,缩写为VSCPT)进一步冷却至光子反冲极限以下,并被激光频率高于原子共振频率的(也即蓝失谐的)covering光束压缩.我们就PHB冷却的动力学过程进行了Monte-Carlo模拟,并计算了Ar⁺中空光束囚禁¹³³Cs原子的光学势.研究结果表明,实现一个全光学冷却与囚禁的¹³³Cs原子BEC是可能的 关键词： 倒金字塔型中空光束重力光学囚禁 强度梯度冷却 氩离子中空光束囚禁 喇曼冷却 铯原子BEC     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科一“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展：包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

Production and guidance of pulsed atomic beams on chip

We demonstrated two experimental methods of producing and guiding pulsed atomic beams on chip. One is to trap atoms first in a U-type magneto-optical trap on the chip, then transfer them to the magnetic guide field and push them simultaneously by a continuous force from the power imbalance of the magneto-optical trap laser beams hence the pulsed cold atom beams are produced and move along the magnetic guide to the destination. The other is to trap atoms directly by a H-type magneto-optical trap, then push them to make them move along the magnetic guide field, thus high rate cold atom beams can be produced and guided on the chip.     

PYRAMIDAL-HOLLOW-BEAM DIPOLE TRAP FOR ALKALI ATOMS

We propose a dark gravito-optical dipole trap, for alkali atoms, consisting of a blue-detuned, pyramidal-hollow laser beam propagating upward and the gravity field. When cold atoms from a magneto-optical trap are loaded into the pyramidal-hollow beam and bounce inside the pyramidal-hollow beam, they experience efficient Sisyphus cooling and geometric cooling induced by the pyramidal-hollow beam and the weak repumping beam propagating downward. Our study shows that an ultracold and dense atomic sample with an equilibrium 3D momentum of ～3 \hbar k and an atomic density above the point of Bose-Einstein condensation may be obtained in this pure optical trap.     

用于原子干涉仪实验的锂原子的塞曼减速与磁光囚禁

为了制备适于原子干涉仪实验的低温锂原子样品,开展了锂原子的塞曼减速及与磁光阱囚禁相关的实验研究.设计并实现了一种结构紧凑的腔体内冷式多级线圈叠加的塞曼减速器,将速度小于600 m/s的7Li原子减速到60 m/s,磁光阱装载速率为5×108/s,囚禁原子数目1×109个,原子团的最低温度约为220±30μK.研究了光学黏胶中7Li原子的寿命与囚禁光频率失谐量的关系.这些结果为进一步开展7Li原子亚多普勒冷却、光势阱蒸发冷却以及原子干涉仪实验奠定了基础.     

Generations of dark hollow beams and their applications in laser cooling of atoms and all optical-type Bose－Einstein condensation

We report on a new experimental result to generate dark hollow beams by using a geometric optical method. We propose two new methods to produce focused and localized hollow laser beams by using π-phase plates. Using Monte-Carlo simulations, we have studied the Sisyphus cooling of alkali atoms in pyramidal hollow beam gravito-optical traps. We discuss some potential applications of the dark hollow beams in atom optics and the preparation of an all optically-cooled and optically-trapped atomic Bose－Einstein condensation (BEC). Our research shows that an ultracold atomic sample with a temperature of ～ 2μK can be obtained in the pyramidal hollow beam dipole trap and an all optical-type BEC may be realized in a far blue-detuned, hollow beam trap.     

内腔多原子直接俘获的强耦合腔量子力学系统的构建

腔内中性原子的长时间控制与俘获一直是腔量子电动力学(QED)中的一个难题,极大地制约了人们相干操控单原子及其与光相互作用的研究.基于传统Fabry-Perot光学腔,设计了一套易于内腔原子操控的强耦合腔QED系统,其典型参数为:腔长3.5 mm精细度约为57000,(g0,κ,γ)=2π×(1.48,0.375,2.61)MHz,临界光子数和原子数分别为1.54和0.89.该系统的特点是:能够在腔内直接实现冷原子磁光阱,并建立腔内光学晶格,实现腔内可控数目的中性原子的长时间俘获.通过合理选择构建光学偶极阱和原子成像系统,可实现对腔内单个原子或原子阵列的操控、探测、成像等.该系统可以克服传统腔QED系统中转移原子的困难,大幅增加腔内原子的寿命,为构建以腔QED系统为基础的量子信息演示平台提供了一种可能.     

亚微米局域空心光束的产生及其在单原子囚禁与冷却中的应用理论研究

提出了一种采用单模光纤、环形二元相位板和微透镜组成的光束整形系统产生亚微米局域空心光束的方案. 根据瑞利-索莫菲衍射积分公式, 数值计算了微透镜焦平面附近的场分布, 详细研究了空心光束的暗斑尺寸与单模光纤模场半径和微透镜焦距的关系. 数值计算结果表明: 在微透镜焦平面附近光场分布近似对称, 在焦点处场强近似为零, 周围场强逐渐增大, 形成半径约为0.4 μm的三维封闭的球形空心光场区域, 即亚微米局域空心光束. 当局域空心光束为蓝失谐时, 光场中的原子将被囚禁在光场最弱处. 若加上抽运光, 原子将受到蓝失谐局域空心光束与抽运光共同激发的强度梯度Sisyphus冷却. 本文利用该方案产生的亚微米局域空心光束构建单原子的囚禁与冷却器件, 并以单个⁸⁷Rb原子为例, 利用Mont-Carlo方法研究亚微米局域空心光束中单原子囚禁与强度梯度冷却的动力学过程, 结果表明利用该器件可以获得温度在5.8 μK量级的超冷单原子.     

Diffracted field distribution from a knife-edge truncated semi-Gaussian beam as an atomic （molecular） mirror

We investigate the diffraction characteristics of an incident Gaussian beam cut by a straight edge bounding a semi-infinite opaque plane using Kirchhoff scalar wave theory in the Fresnel limit, and propose a new and simple mirror scheme to reflect atoms by using the intensity gradient induced by a blue-detuned semi-Gaussian laser beam. The optical potential of the diffracted light of the knife-cut semi-Gaussian beam for $^{85}$Rb atom and its spontaneous emission probability are calculated and compared with the performance of the evanescent-wave mirror. Our study shows that the optical potential of the diffracted light of the semi-Gaussian beam is far higher than that of the evanescent light wave, and the maximum normal velocity of the incident atoms can be far greater than that of the evanescent light wave under the same parameters, so the blue-detuned semi-Gaussian beam, as a novel atomic mirror, can be used to efficiently reflect cold atoms with a normal velocity of greater than 1 m/s. However, the intensity gradient (force) of the diffracted light of the semi-Gaussian-beam is much smaller than that of the evanescent light wave, so its spontaneous emission probability is greater than that from the evanescent-wave when the normal velocity of incident atoms is greater.     

Enhanced cold mercury atom production with two-dimensional magneto-optical trap

A cold atom source is important for quantum metrology and precision measurement. To reduce the quantum projection noise limit in optical lattice clock, one can increase the number of cold atoms and reduce the dead time by enhancing the loading rate. In this work, we realize an enhanced cold mercury atom source based on a two-dimensional (2D) magneto-optical trap (MOT). The vacuum system is composed of two titanium chambers connected with a differential pumping tube. Two stable cooling laser systems are adopted for the 2D-MOT and the three-dimensional (3D)-MOT, respectively. Using an optimized 2D-MOT and push beam, about 1.3×10⁶ atoms, which are almost an order of magnitude higher than using a pure 3D-MOT, are loaded into the 3D-MOT for ²⁰²Hg atoms. This enhanced cold mercury atom source is helpful in increasing the frequency stability of a neutral mercury lattice clock.     

应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制

理论模拟研究了二维磁光阱原子束流量与饱和蒸汽压、冷却光强、激光失谐量的关系, 构建了二维磁光阱(2D-MOT)装置, 实验上实现了大流量的慢速原子束, 其测量值为2.1× 10⁹/s.利用荧光法测量了各实验参数与流量的关系, 测量结果与数值模拟结果符合较好. 关键词： 2D-MOT 流量 慢速原子束 铯原子喷泉钟