局域中空光束中原子的强度梯度冷却

提出了一种采用蓝失谐局域中空光束实现中性原子冷却与囚禁的新方法，并采用Monte-Carlo模拟方法研究了局域中空光束中原子强度梯度冷却（即Sisyphus冷却）的 动力学过程. 研究发现一个温度约为5μK和密度为10^12—10^13cm^3的超冷原子样品可以在我们的单束局域中空光束势阱中获得，而且这一原子密度可通过改变聚焦系统的相对孔径来加以调控. 因此，这一蓝失谐的局域中空光束还可用于实现全光型玻色-爱因斯坦凝聚. 关键词： 局域中空光束 原子囚禁 强度梯度冷却     

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.     

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     

采用消逝波干涉的二维表面微光阱阵列

提出了一种采用两套超大红失谐消逝波干涉和一束蓝失谐消逝波光场来实现原子二维表面微光阱阵列和原子有效强度梯度冷却的新方案,得到了二维表面微光阱阵列的光强分布和光学势分布.研究发现,二维表面微光阱阵列中微光阱的光学势能够有效地囚禁从标准磁光阱中释放的冷原子,并且被囚禁的冷原子能在蓝失谐消逝波光场的作用下产生有效的强度梯度Sisyphus冷却,对⁸⁷Rb原子而言,原子温度能被冷却到2.56μK.该方案在冷原子物理、原子光学和量子光学领域中有着广阔的应用前景. 关键词： 消逝波干涉 微光阱阵列 原子囚禁 强度梯度冷却     

利用光子筛产生局域空心光束

为了寻找一种简单有效的产生局域空心光束的方法,提出了一种利用交错型光子筛产生空心光束的方法。通过光子筛的内部区域和外部区域相消达到轴上光强为零的目的。给出了光子筛的结构和设计参数,对空心光束中心暗斑尺寸和光子筛焦距、环带数、小孔调制系数的关系进行了深入的研究,发现改变焦距和环带数可以得到微米甚至亚微米的中心暗斑的局域空心光束。理论推导和仿真分析验证了方法的可行性,该方法具有结构简单和能产生极小中心暗斑的优点,特别适用于光学镊子、原子冷却等。     

采用聚焦空心光束的原子透镜

本文提出了一种采用2π位相板产生聚焦空心光束的新方法.由于位相板对光束具有位相调制作用,这将导致输出光束中心的完全相消干涉效应,使得输出光束的轴向强度为零,从而在位相板和透镜后方产生一束聚焦的空心光束.理论计算表明,我们可以通过调节薄透镜的焦距f和入射准直高斯光束的束腰w0大小,在焦平面上产生一个极小的暗斑尺寸(DSS),用于形成分辨率很高的原子透镜.我们的研究发现在焦平面上,聚焦中空光束的DSS越小,光学势越大,对应的最佳失谐量δ也越大,越有利于原子透镜分辨率的提高.因为这不仅有利于得到高分辨率的原子透镜,而且还可有效地减少聚焦中空光束中原子的自发辐射和光子散射效应.此外,我们还考虑了各项象差对聚焦原子束分辨率的影响.研究发现聚焦原子束的焦距有一最小值f=3.88 m,构成的原子透镜分辨率大约为0.6 nm.显然,这一原子透镜在高分辨率原子光刻等方面有着潜在的应用前景.     

π相位板产生矢量光束的高数值孔径聚焦特性研究

借助马赫曾德尔干涉仪光路,用简单的π相位板把线偏振光转换为径向和角向矢量空心光束,应用RichardsWolf经典矢量衍射模型,计算了高数值孔径透镜聚焦条件下光波电磁场的分布,结果表明:用10-3 W量级的激光功率照明,产生轴对称矢量空心光束的最大光强达到1011 W·m-2量级,最大光强梯度达到1017 W·m-3量级,暗斑半径仅有0.24λ,同时出现了很强的纵向电场和磁场分布;调节干涉仪光路的光程差可调节局域光子轨道角动量密度的分布,这种光束在原子光学中有很好的应用前景。     

衍射理论对局域空心光束及无衍射光束重建的描述

利用衍射理论导出了局域空心光束的传输表达式及光强分布,给出了局域空心光束的精细结构,详细分析了其演变过程。讨论了聚焦透镜的焦距f对径向暗域最大尺寸及轴上暗域长度的影响。结果表明,径向暗域最大尺寸及轴上暗域长度都随着f的增大而增大。通过轴棱锥-透镜系统获得局域空心光束,用体视显微镜和CCD照相机组成的系统拍摄光束强度分布。结果表明应用衍射理论可以较精确地描述局域空心光束的演变过程。找出了其应用中的不利因素,更清晰地展现无衍射光束的重建现象。这种描述方法弥补了几何理论和干涉理论的不足。     

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.     

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。     

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.     

QUIC阱中紧束缚状态下87Rb原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚体相变的直接观测

在QUIC阱中经蒸发冷却获得了2×10⁵个|F=2,m_F=2〉态的⁸⁷Rb原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚.验证了紧束缚状态下原子云的轴向尺寸的变化作为BEC相变的判据，观察了从热原子气体到玻色-爱因斯坦凝聚的相变过程，测量了自由膨胀过程中BEC的纵横比变化，并和理论预言进行了对比. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 激光冷却与囚禁     

玻色-爱因斯坦凝聚在中国科学院上海光机所实现

文章报道了在稀薄87Rb原子气体中观测到的玻色 -爱因斯坦凝聚 (BEC)现象 .在四极矩和Ioffe组合磁阱 (QUIC)中装载了 1× 10 8个原子 ,经过 19s蒸发冷却达到了相变条件 .在高原子密度的情况下 ,文章作者观察到了BEC对探测光的衍射光环 .这时降低磁阱势垒和绝热的放开冷原子样品 ,我们拍摄到冷原子和BEC的吸收像 .根据数据拟合满足双高斯分布 ,表明发生了BEC相变 .相变温度约 2 15nK ,凝聚的原子数约为 5× 10 4 .     

采用四根单模光纤束实现消逝波原子(或分子)波导的理论分析

提出了一种利用四根亚微米单模光纤束实现冷原子(或冷分子)波导的新方案，计算了四光纤束内空心区域的消逝波光场及其光学囚禁势.研究表明这种蓝失谐的空心消逝波光场同样可用于实现冷原子(或冷分子)的激光波导，而且与传统的中空光纤原子波导方案相比，不仅简单方便，造价低廉，而且更容易实现冷原子物质波的高效单模波导. 关键词： 单模光纤 消逝波 原子(或分子)波导     

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。     

表面空心光束列阵的产生及其在原子分子光学中的应用

本文提出了一种采用柱面微透镜列阵与二元位相型光栅组合并利用两束平面光波照明在芯片表面附近产生一维聚焦暗中空光束原子或分子波导列阵的新方案,计算与分析了暗中空光管列阵的光强分布和导引85Rb冷原子的光学势分布,讨论了暗中空光管的特征参数与光学系统参数的关系.结果表明:若用波长为0.78 μm,光强为7.0×103 W/m2和蓝失谐频率为10 GMHz的激光照明时,对于85Rb原子,每一束暗中空光束的有效光学势为0.23 mK(这远高于标准光学粘胶中85Rb冷原子的温度～20 μK),相应的横向暗斑尺寸为4.4 μm.此外,在该方案中,如果改变入射光的方向,则可使波导列阵在芯片表面上移动,以实现冷原子的一维操作与控制.最后,本文还讨论了本方案的实验可行性以及在原子光学和分子光学领域中的潜在应用.     

阶变折射率轴棱锥产生局域空心光束

提出利用折射率成阶跃性变化的轴棱锥产生局域空心光束(bottlebeam).讨论了折射率沿径向成阶跃式减小或增加两种模型,从几何光学角度分析了它们产生bottle beam的原理,利用衍射积分理论数值模拟两种轴棱锥光传输的光场分布和不同距离处的二维光斑图,研究结果表明折射率沿径向阶跃减小的轴棱锥产生单个bottle beam,而折射率沿径向阶跃增加的轴棱锥产生具有周期再现的bottle beams.bottle beam在原子引导和囚禁、光学俘获及光镊等方面有广泛的应用,因此本文的研究对bottlebeam的产生和实际应用具有指导意义.     

磁光阱特性及冷原子集合行为的实验研究

磁光阱目前已经成为量子光学领域的内的一种强有力的研究工具，在实现了铯磁光阱后，我人通过对实验系统的改进提高了磁光阱的性能，在此基础上对磁光阱中原子数目和密度与磁光阱参数（包括激光光强，失谐以及磁场梯度等）的关系进行了系统的实验研究，结果与我们的理论预计大致符合，同时我们还观察到调节冷却激光光束准直和补偿地磁场的姆霍兹线圈电流过程中出现的冷原子云形状的变化，包括原子云的干涉图样，多亮点原子云，环形原     

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究

光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10^-18量级. 本文介绍了碱土金属锶原子玻色子⁸⁸Sr在“魔术”波长处的一维光晶格装载, 实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s²) ¹S₀-(5s5p) ³P₀在此波长处的交流斯塔克光频移一致. 实验中半导体激光器产生“魔术”光波长(813 nm), 通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束, 束腰半径为38 μm. 经过一级冷却和二级冷却后温度约为2 μK的冷锶原子被此“魔术”波长光晶格囚禁. 通过实验测量得到锶原子玻色子⁸⁸Sr光晶格寿命为270 ms, 数目约为1.2×10⁵, 温度在3.5 μK左右, 此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用. 原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间, 为进一步的光钟闭环提供了实验基础.     

一种实现冷原子(或冷分子)囚禁的可控制纵向光学双阱

提出了一种新颖的实现冷原子(或冷分子)囚禁的可控制纵向光学双阱方案，它由一个二元π相位板及一会聚透镜所组成，其π相位板由两个面积相等的具有0和π相位的同心圆环组成. 当一平面光波通过此光学系统时将在光轴上透镜焦点两侧形成一个光学双阱，如果调节入射到二元π相位板上光束横截面的半径大小，即可实现从光学双阱到单阱的连续演变，或由单阱到双阱的连续变化. 介绍了本方案产生可控制光学双阱的基本原理，给出了形成光学双阱的最佳几何参数，研究了双阱、单阱及其演化过程的光阱参数、光强分布等与光学系统参数间的关系. 该方案不仅可用于双样品原子(分子)的光学囚禁及其全光型玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实现，而且可用于研究超冷原子(或分子)物质波的干涉，或构成双层2D光阱列阵，甚至用于制备新颖的双层2D光学晶格. 关键词： 二元π相位板 可控制光学双阱 双样品囚禁 光学晶格