利用补偿线圈提高塞曼减速器效率的理论及实验研究

研究了用于锶原子光晶格光钟原子冷却的塞曼减速器,应用增添补偿线圈的方法可以延长减速器的有效减速距离和增大减速器末端的磁场梯度,进而增加一级冷却俘获锶原子的数目,理论分析采用该方法实现的塞曼减速器较使用单一线圈塞曼减速器可以增加31.17%的俘获原子数目;飞行时间法测量了减速前后原子束中原子的速度分布,原子的最可几速度由380m/s降为43m/s,分布线宽相应变窄。荧光法测量俘获原子数目表明在相同实验条件下,应用补偿线圈后磁光阱俘获原子数目从1.26×106提高到1.81×106,增加30.4%。     

利用塞曼减速法实现锶同位素的磁光阱俘获

利用塞曼减速法在磁光阱(MOT)中实现锶原子一级冷却,使用塞曼减速器对进入阱区前的热原子束进行减速,实验时该减速器线圈通入10.2 A电流,阱区反亥姆霍兹线圈通入10 A电流时,中心区域线性磁场梯度为4 mT/cm,用于冷却和俘获的激光波长为461 nm,其对应于锶原子(5s~2)~1S_0→(5s5p)~1P_1的能级跃迁。通过实验获得了锶4种同位素的冷原子团、探测到相应的冷原子荧光光谱,并且测定其中~(88)Sr,~(87)Sr和~(86)Sr的冷原子数目分别为1.759×10~6,1.759×10~5和2.638×10~5。     

Rb原子磁光阱中囚禁原子数目与实验参数的依赖关系

研究表明，Rb原子磁光阱中所囚禁的原子数目对囚禁光的光强和失谐量，回泵光的强度以及磁场梯度有很大的依赖关系.用二能级系统模型对囚禁原子数目随囚禁光的光强和失谐量的变化关系进行了预估，理论预测的结果与实验结果定性符合.实验结果也展示了囚禁原子数目随回泵光的强度和磁场梯度的变化关系，要定量解释这些实验结果则需要更复杂的理论模型.通过囚禁原子数目对实验参数依赖关系的研究，得到特定的实验参数，来获得最大数目的冷原子. 关键词： 磁光阱 冷原子     

高通量冷原子束流的实现与测量

我们在实验上基于铯原子的2D+磁光阱获得了通量为8.5×1010原子/s、平均速度与速度分布分别为16 m/s与4 m/s、空间发散角为25 mrad的冷原子束流,通过相敏的飞行时间法对原子束流的通量进行了准确测量,并对背景原子气压、推送光功率以及冷却光失谐等参量对原子束流的影响进行了实验研究与分析.     

紫外光诱导原子脱附技术在单腔磁阱装载中的应用

基于光诱导的原子脱附技术，采用脉冲紫外光剥离出玻璃池壁上吸附的铷原子以形成可快速开启和关断的脉冲铷原子源，成功地解决了单真空腔系统中磁阱的原子数和寿命之间的矛盾，突破了激光冷却和囚禁技术向小型化乃至微型化发展过程中的一个瓶颈.脉冲光源由390nm的LED阵列组成.实验结果表明它能够在1s内使真空铷原子气体分压提高近30倍,并且当紫外光关闭后系统的真空恢复到平衡状态的时间非常短，约120ms.测量了不同铷原子分压下磁光阱所俘获的最大原子数和装载时间,并由此得出系统的背景真空和磁光阱所能俘获的极限原子数，进一步得出磁阱的原子数-寿命积与磁光阱保持阶段时间的变化关系，结果显示在约1.25s处出现极大值，与无磁光阱保持阶段而直接进行磁阱装载情况相比提高了约0.3倍. 关键词： 激光冷却 磁光阱 光诱导原子脱附 原子数-寿命积     

基于磁光阱中~6Li冷原子的真空度测量

2018年第26届国际计量大会召开后,伴随着国际单位制的重新定义,真空量值加速了其量子化进程.在超高/极高真空测量领域,可基于囚禁在磁光阱中的冷原子与背景气体碰撞的损失率以及损失率系数反演真空度.本文从磁光阱中冷原子真空测量的基本原理出发,基于量子散射理论小角近似和冲激近似计算了~6Li冷原子与背景气体碰撞的损失率系数,并利用光缔合法测定了在一定磁场和光场条件下的磁光阱阱深,基于两级磁光阱装置通过拟合冷原子数的衰减曲线精确提取出了碰撞损失率.最后在1×10^-8—5×10^-6 Pa压强范围内将真空反演量值与电离计示数对比,分析了制约测量精度提高的因素并提出了改进措施.     

中性原子的双阱磁囚禁及其应用

本文提出了四种采用载流导线实现冷原子双阱磁囚禁的新颖方案(1)双loffe型磁囚禁，(2)双Z型导线磁囚禁，(3)双U-Z型导线磁囚禁和(4)双U-U型导线磁囚禁，详细计算了上述磁阱的磁场及其梯度与曲率的空间分布，并分析了实现冷原子双阱磁囚禁的实验可行性。理论研究表明上述方案中某一导线中的电流大小改变时，每个双磁阱可连续转变为一个单磁阱。双loffe型磁阱和双Z型导线磁阱中心的磁场强度都是非零最小值，不存在Majonara跃迁，相应的磁场梯度和曲率的典型值分别为2.0×103G/cm和1.0×105G/cm2，这远远高于BEC实验中宏观磁阱中心的磁场梯度及其曲率，为双样品原子的微阱玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实现提供了理论依据与新的实验方案；而双U-Z型导线磁囚禁和双U-U型导线磁囚禁的中心磁场强度都为零，存在着严重的Majonara跃迁，限制了磁阱中原子密度的提高，因而它们仅能用于实现双样品的磁光囚禁(MOT)或用于研究不同原子之间的冷碰撞性质。双MOT中所能俘获的原子数约为106量级(弱光近似下)，相应的MOT温度约为266μK，这与标准MOT中(弱光近似下)的囚禁原子数及其原子冷却温度差不多。进一步的研究表明当在双Z型载流导线方案中插入更多的等间隔载流直导线时，即可构成1D微磁囚禁列阵，从而用于制备1D磁晶格，甚至实现1D BEC列阵。     

~(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.     

光致原子解吸附对冷原子磁光阱装载的动力学研究

在获得光致原子解吸附(light-induced atom desorption,LIAD)效应的基础上,从理论和实验方面分析了LIAD对铯原子磁光阱装载的动力学过程的影响,特别是背景原子对磁光阱的影响.通过实验获得了不同光强和照射时间下关闭解吸附光后磁光阱中铯原子的衰减过程,理论模型定量地描述了背景铯原子造成压强的变化及其对最终平衡态下真空度的影响.该研究对中性原子的长时间俘获,有效控制磁光阱中原子的装载过程具有重要意义. 关键词： 光致原子解吸附 磁光阱 激光冷却与俘获     

利用Doppler测速法实现小发散角锶原子速度分布的测量

锶光钟小型化系统中,利用Doppler测速法对小发散角锶原子的速度分布进行了测量。从锶炉喷出原子束的最可几速率为440 m/s,经过永磁体塞曼减速器减速后原子的速度最低可降低至80 m/s。验证了在原子行进过程中设置的减速磁场即永磁体塞曼减速器,能够对原子进行有效减速,进而提高俘获冷原子的数目。实验中采用的Doppler测速法装置简单,易于操作,可直接探测原子束的速度分布曲线。     

Efficient cooling and trapping of strontium atoms

We report the capture of cold strontium atoms in a magneto-optical trap (MOT) at a rate of 4 x 10(10) atoms/s. The MOT is loaded from an atomic beam decelerated by a Zeeman slower operating with a focused laser beam. The 461-nm laser, used for both cooling and trapping, was generated by sum-frequency mixing in a KTP crystal with diode lasers at 813 nm and a Nd:YAG laser at 1064 nm. As much as 115 mW of blue light was obtained.     

Loading of a krypton magneto-optical trap with two hollow laser beams in a Zeeman slower

A significant enhancement in the number of cold atoms in an atomic-beam-loaded magneto-optical trap (MOT) for metastable krypton atoms is observed when hollow laser beams are used in a Zeeman slower instead of a Gaussian laser beam. In the Zeeman slower setup, a combination of two hollow laser beams, i.e., a variable-diameter hollow beam generated using a pair of axicon lenses superimposed on a fixed-diameter hollow beam, has been used to reduce the longitudinal velocity of the atoms in the atomic beam below the capture speed of the MOT. The observed enhancement in the number of atoms in the MOT is attributed to reduced destruction of the atom cloud in the MOT and increased cooling of the off-axis atoms in the atomic beam, resulting from the use of hollow beams in the Zeeman slower.     

Magneto-Optical Trapping of Ytterbium Atoms with a 398.9nm Laser

We report the realization of ytterbium magneto-optical trap （MOT） operating on the dipole-allowed ^1S0 - ^1P1 transition at 398.9nm. The MOT is loaded by a slowed atomic beam produced by a Zeeman slower. All seven stable isotopes of Yb atoms could be trapped separately at different laser detuning values. Over 10^7 174 Yb atoms are collected in the MOT, whereas the atom number of fermionic isotope ^171Yb is roughly 2.3 × 10^6 due to a lower abundance. Without the Zeeman slower the trapped atom numbers are one order of magnitude lower. Both the even and odd isotopes are recognized as excellent candidates of optical clock transition, so the cooling and trapping of ytterbium atoms by the blue MOT is an important step for building an optical clock.     

Intense source of cold cesium atoms based on a two-dimensional magneto–optical trap with independent axial cooling and pushing

We report our studies on an intense source of cold cesium atoms based on a two-dimensional(2D) magneto–optical trap(MOT) with independent axial cooling and pushing.The new-designed source,proposed as 2D-HP MOT,uses hollow laser beams for axial cooling and a thin pushing laser beam to extract a cold atomic beam.With the independent pushing beam,the atomic flux can be substantially optimized.The total atomic flux maximum obtained in the 2D-HP MOT is4.02 × 1010atoms/s,increased by 60 percent compared to the traditional 2D+MOT in our experiment.Moreover,with the pushing power 10 μW and detuning 0Γ,the 2D-HP MOT can generate a rather intense atomic beam with the concomitant light shift suppressed by a factor of 20.The axial velocity distribution of the cold cesium beams centers at 6.8 m/s with an FMHW of about 2.8 m/s.The dependences of the atomic flux on the pushing power and detuning are studied in detail.The experimental results are in good agreement with the theoretical model.     

磁光阱中单原子荧光信号的优化及单原子的高效装载

实验中首先通过增大四极磁场梯度、提高背景真空度、缩小冷却俘获激光光束直径的方法获得了磁光阱中单原子的装载.其次,通过减小冷却光失谐量、适当增加其光强、同时使用偏振光谱锁频技术抑制冷却光噪声的方法得到了磁光阱中高信号背景比的单原子荧光信号.此外,通过实时反馈控制磁光阱四极磁场梯度的方法,在实验中实现了单原子98%的装载概率.使用Hamburg Brown-Twiss方案测量了磁光阱中的单原子在连续光激发下所辐射荧光的光子统计特性,得到二阶关联度g(2)(τ=0)=0.09.     

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.     

小型化锶光钟物理系统的研制

光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素~(88)Sr和~(87)Sr的冷原子数目分别为1.6×10~6和1.5×10~5.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在~3P_2和~3P_0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.