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.     

Single atoms transferring between a magneto-optical trap and a far-off-resonance optical dipole trap

Based on our work on single cesium atoms trapped in a large-magnetic-gradient vapour-cell magneto-optical trap (MOT), the signal-to-noise ratio (SNR) is remarkably improved. Also a far-off-resonance optical dipole trap (FORT) formed by a strongly-focused 1064~nm single frequency Nd:YVO₄ laser beam is introduced. One cesium atom is prepared in the MOT, and then it can transfer successfully between the MOT and the FORT which is overlapped with the MOT. Utilizing the effective transfer, the lifetime of single atoms trapped in the FORT is measured to be 6.9± 0.3~s. Thus we provide a system where the atomic qubit can be coherently manipulated.     

Setup of a dipole trap for all-optical trapping

Micromotion induced by the radio-frequency field contributes greatly to the systematic frequency shifts of optical frequency standards. Although different strategies for mitigating this effect have been proposed, trapping ions optically has the potential to provide a generic solution to the elimination of micromotion. This could be achieved by trapping a single ion in the dipole trap composed of a highpower laser field. Here, we present the setup of the dipole trap composed of a 532 nm laser at a power of 10 W aiming to optically trap a single ~(40)Ca~+ and we observe an AC-Stark shift of the fluorescence spectrum line of ～22 MHz caused by the 532 nm dipole beam. The beam waist of the dipole laser is several microns, which would provide a dipole potential strong enough for all-optical trapping of a single ~(40)Ca~+ ion.     

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.     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

中性汞原子磁光阱装载率的优化

量子投影噪声是影响光晶格钟的一个重要参数,提高磁光阱中装载率有利于降低量子投影噪声,可提升光晶格钟的性能.针对实验所用的汞原子单腔磁光阱,本文分析并计算了磁光阱中汞原子受力情况和一维运动规律,在此基础上用随机数方法对磁光阱中汞原子三维装载进行了数值计算,获得了磁光阱中的稳态原子数,研究了磁光阱的冷却激光的光强、失谐量以及磁场梯度等参数对稳态原子数的影响,得出了获得最优装载率的实验参数.涉及的计算方法和结论对汞原子光晶格钟的实验设计具有参考价值.     

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.     

~(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.     

利用蓝失谐激光诱导微型光学偶极阱中冷原子间的光助碰撞提高单原子制备概率

借助于微米尺度的远失谐光学偶极阱(FORT)中蓝失谐光的光助碰撞效应与反馈控制系统,文章在实验上实现了FORT中单个原子的高效制备.结合原子的势能曲线,分析了原子在红失谐光和蓝失谐光作用下的光助碰撞效应,并且在实验上得到红失谐光诱导下单原子的制备概率约50%,蓝失谐光诱导下单原子的制备概率约80%.通过反馈控制系统,当原子数目小于1时,反馈控制使磁场梯度减小以快速俘获原子,当原子数目大于1时,反馈控制开启蓝失谐光场,使得原子一个个逃逸出阱中,最终实现了FORT中单原子的制备概率约95%,为下一步偶极阱的二维扩展奠定了基础.通过HBT实验测量FORT中单原子发出光子的统计特性,得到二阶相干度g(2)(τ=0)=0.08.     

Comparison of single-neutral-atom qubit between in bright trap and in dark trap

A single neutral atom is one of the most promising candidates to encode a quantum bit(qubit). In a real experiment, a single neutral atom is always confined in a micro-sized far off-resonant optical trap(FORT). There are generally two types of traps: red-detuned trap and blue-detuned trap. We experimentally compare the qubits encoded in "clock states" of single cesium atoms confined separately in either 1064-nm red-detuned(bright) trap or 780-nm blue-detuned(dark) trap: both traps have almost the same trap depth. A longer lifetime of 117 s and a longer coherence time of about 10 ms are achieved in the dark trap. This provides a direct proof of the superiority of the dark trap over the bright trap. The measures to further improve the coherence are discussed.     

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.     

实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学四阱

提出了一种利用单光束照明二元π相位板与透镜组合系统实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学四阱新方案.计算了四阱的光强分布，讨论了从光学四阱到双阱或到单阱的演化过程，并导出了四阱和双阱几何参数、光强分布、强度梯度及其曲率与光学透镜系统参数间的解析关系.研究表明，通过相对移动二元π相位板可实现光学四阱到双阱或到单阱的连续双向演化，获得了四阱或双阱间距与相位板移动距离的关系.该方案在超冷原子物理、冷分子物理、原子光学、分子光学和量子光学，甚至量子计算及信息处理等领域中有着广阔的应用前景. 关键词： 二元π相位板 可控制光学四阱 原子分子囚禁 原子光学     

Pulsed polarization gradient cooling in an optical dipole trap with a Laguerre-Gaussian laser beam

We utilized a blue-detuned Laguerre-Gaussian (doughnut) laser beam to trap cold rubidium atoms by optical dipole force. ”Pulsed” polarization gradient cooling was applied to the trapped atoms to suppress the trap loss due to heating caused by random photon scattering of the trapping light. In this trap about 10⁸ atoms were initially captured and the trap lifetime was 1.5 s, which was consistent with losses due to background gas collisions. This trap can readily be applied to atom guiding, compression, and evaporative cooling. Received: 10 July 1997 / Received in final form: 5 January 1998 / Accepted: 16 January 1998     

激光捕获技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度会聚的激光束束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维地捕获和操纵微小粒子。阐述了激光捕获技术的模型和原理以及系统的基本结构;追踪了激光捕获技术的最新研究进展;介绍了非高斯型光阱、光纤光阱和全息光镊等几种特殊形式,并分析了每种形式的特点。展望了激光捕获技术的发展前景。     

一种新颖的表面空心微光阱阵列

提出了采用四台阶相位光栅与微透镜阵列组合产生一种新颖的表面空心微光阱阵列的方案，研究了表面空心微光阱阵列的光强分布，计算了相应的光学囚禁势，并讨论了该微光阱阵列在原子分子光学中的潜在应用.研究表明当用1W的YAG激光照射时，在1cm²面积上可产生近10⁴个空心光阱，每个光阱具有较小的囚禁体积和较大的有效光强及其强度梯度，对⁸⁵Rb原子的光学囚禁势可达190μK.如此深的光阱足以囚禁冷原子或冷分子，并可用于实现全光型原子或分子玻色-爱因斯坦凝聚，甚至制备新颖的光学晶格等. 关键词： 空心光阱 冷原子或冷分子 光学晶格     

高精细度光学微腔中原子的偶极俘获

利用梯度光场产生的光学偶极力对原子的作用是实现原子俘获的重要途径.分析高精细 度光学微腔中的偶极阱，讨论了由腔内驻波场、侧向和横向约束光构成光学势阱的特性，说 明在高精细度光学微腔中可以产生尺度为亚微米，阱深为mK量级的纯光学阱，并获得单原子 与光场的强耦合作用.还讨论了激光线宽对微腔中偶极阱阱深的影响. 关键词： 光学微腔 偶极俘获 单原子     

一种新颖的实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学四阱及其二维光学晶格

原子光学晶格为精确操控中性原子和研究某些基本物理问题提供了一种方法。提出了一种利用单光束照明余弦型振幅光栅与透镜组合系统实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学四阱新方案,计算了四阱的光强分布,讨论了从光学四阱到双阱或单阱的演化过程,并导出了光学四阱的几何参量、光强分布、强度梯度及其曲率与光学透镜系统参量间的解析关系,获得了四阱间距与光栅空间频率的关系。研究表明通过改变余弦光栅的空间频率即可实现从光学四阱到双阱或单阱的连续双向演化。     

光镊力影响因素的计算分析

运用基于T矩阵算法的开源光镊计算工具包对可能影响光镊力的微粒尺寸、相对折射率以及光束模式进行了研究,计算结果表明,这三方面因素都会对光镊力产生显著影响,微粒直径与波长相等、相对折射率尽可能大时选择恰当的光束模式能够产生最佳的光镊捕获效果.     

强耦合腔量子电动力学中单原子转移的实验及模拟

对于强耦合腔量子电动力学系统中以自由下落方式转移原子与腔模强耦合作用过程进行了实验研究,并在理论上利用蒙特卡罗方法对整个实验过程进行了模拟.根据模拟的高精度光学微腔实时记录的原子穿腔信号,获得了原子与腔模相互作用以及冷原子的参数等基本信息,包括不同初始条件下原子与腔模相互作用时腔的透射谱、单个原子在腔内的驻留时间、原子到达腔模时刻的概率分布以及原子到达腔模的动能分布等,并作为对比给出了相应的实验结果.基于模拟结果,实验上建立了腔内光学偶极阱来俘获单个原子,测量的单原子的腔内俘获寿命达到5 ms,比自由穿越时延长了约30倍.该研究对于原子-腔受限空间内,以自由下落方式转移原子以及原子与腔的耦合过程给出详细的分析,有助于对类似实验结果的分析和系统参数的优化.     

玻色-费米气体量子简并光学偶极阱的设计

实现了将预冷却(温度约为1～2μK)的87 Rb和40 K原子装载到远红失谐的光学偶极力阱中,继而利用逐步降低光强的方法对其进行蒸发冷却,获得了87 Rb原子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),并用协同冷却的方法得到了40 K原子的量子简并(DFG)。实验上通过光纤传输远红失谐激光束降低了光束指向性的抖动,又利用光强反馈伺服系统抑制远红失谐激光的强度抖动,提高了获得玻色-爱因斯坦凝聚和简并费米气体的重复性和稳定性。实验上得到玻色-爱因斯坦凝聚的原子数达8.48×105个,简并费米气体的原子数量约为3.34×106个。