冷原子EIT介质的原子数目和温度的测量

简要介绍了我们实验组冷却、俘获87Rb原子的磁光阱装置及冷却俘获过程。采用收集荧光法测得了俘获的冷原子数目,并根据冷原子团尺寸推算出了冷原子团密度。通过在冷原子团下方4 mm,7 mm,10 mm三处设置圆柱形探测光束,在原子自由下落过程中获得了短程飞行时间(TOF)吸收信号,通过数值拟合得到了冷原子的温度。结果表明:俘获的冷原子数目大约为109个,密度大约为1011个/cm3,冷却温度约为200μK,该冷原子团能作为很好的EIT介质。     

测量冷原子温度的理论与近似拟合公式的误差分析

对短程飞行时间法(tim e-of-flight,TOF)中推算冷原子温度的理论拟合公式与近似拟合公式进行了误差分析与比较。研究表明:对于使用短程飞行吸收光谱信号推测冷原子团温度,当探测光光斑半径与冷原子团高斯半径之比k小于0.2时,理论拟合公式和近似拟合公式能很好的相符,随着探测光光斑半径与冷原子团高斯半径比值的逐渐增大,用近似拟合公式所得TOF吸收信号与用理论拟合公式所得TOF吸收信号的误差也将逐渐增大,当比值为0.5时,用近似拟合公式所得TOF吸收信号的误差将增大到20%。     

锶原子二级Doppler冷却及温度的测量

为了减小锶原子跃迁谱线的多普勒增宽及频移,需要对锶原子进行激光冷却以降低它的速度,而一级冷却只能将原子温度降低至mK量级,这样的原子其速度过大而无法有效地装载至光晶格中,因此必须进行二级冷却.锶原子存在单重态与三重态(5s2)1S0-(5s5p)3P1间互组跃迁,利用与其跃迁波长在689 nm的窄线宽激光对锶原子进一步冷却,可将锶原子团温度降低至μK量级.利用时序有效、准确地控制磁场和光场与原子相互作用时间,通过飞行时间法对锶冷原子温度进行了测算.实验中应用计算机精确控制磁光阱区域中冷原子团下落时间,EMCCD记录冷原子团初始时刻和下落20 ms后的状态.经过分析计算二级冷却温度为4.39 μK,不确定度仅为0.19 μK,二级冷原子团数目约为1.2×10 7.低温二级冷却锶原子温度及原子数目的获得为锶光钟跃迁信号的信噪比估计提供实验参考,也是实现高精度时间频率标准的前提.     

用于冷原子制备的激光扩束准直器的研制

针对现有的冷原子实验用的多数保偏光纤输入型扩束准直器不能对输入激光束的偏振进行精确调节的缺陷,提出了一种全长度为135mm,输出圆形光斑有效直径为20mm的紧凑型偏振可调激光扩束准直器.该扩束准直器中的偏振棱镜和波片偏振轴均可独立调节,能对单模保偏光纤输入光束的偏振态进行精确调节和保持.所研制的激光扩束准直器在三维磁光阱冷原子实验中制备出了满足冷原子干涉实验要求的冷原子团,冷原子团原子数为5×108,温度约为10μK,并获得了最大上抛高度为1.156m的原子喷泉飞行时间信号.     

一种新的测量大尺度冷原子团温度的方法

报道了一种新的测量大尺度冷原子团温度的方法。这种方法利用反亥姆霍兹线圈产生四极磁场,探测光沿着竖直方向逐点测量冷原子团的分布情况,获得冷原子团在不同自由下落时间下的密度分布曲线,进而拟合出冷原子团的温度值。通过实验,利用这种方法测量了积分球中冷原子团的温度,为73±12μK,并与飞行时间(TOF)方法的测量结果进行了比较。     

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.     

基于二维磁光阱的增强型199Hg冷原子团制备

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度,实现了用于¹⁹⁹Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备.实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数,将三维磁光阱的¹⁹⁹Hg冷原子装载率增强了51倍,提升至3.1×10⁵ s^–1,然后使用压缩磁光阱技术将¹⁹⁹Hg冷原子团的温度降低至45μK,低于多普勒冷却理论温度.这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益,有效地缩短了冷原子团的制备时间,同时也降低了原子团的温度,有利于提高光晶格的转移效率,为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.     

冷原子的横向推载与探测

文中在获得温度低,数目多的冷原子基础上,研究了冷原子传输速度与推的脉冲光各种参数之间的关系.     

多模1064nm光纤激光器实现一维远失谐光晶格

采用1064 nm多模30 W连续光纤激光器, 搭建了一个周期为25 μm的一维远失谐光学晶格势场. 对铷原子进行磁光阱装载和偏振梯度冷却, 实现了铷冷原子团在光晶格中的装载. 借助于短程飞行时间法, 测量晶格中冷原子温度为20 μK, 为下一步实现量子信息存储实验奠定了基础.     

锶原子多普勒冷却温度的测量

在实现基于碱土金属锶原子(5s2)1S0→(5s5p)1P1的多普勒冷却实验基础上,分别采用短程飞行时间法和原子吸收膨胀法,测量了锶原子同位素88Sr(玻色子)冷原子团温度约为9 mK,87Sr(费米子)冷原子团的温度在2 mK左右,并结合多普勒冷却极限温度理论对实验结果进行了分析.为下一步1S0→3P1的窄线宽冷却提供了良好的基础.     

采用短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度时参数误差的影响

详细介绍了短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度的基本模型和实验方法.在对铯原子磁光阱中冷原子温度测量的基础上,分析了初始时刻冷原子云中心到探测光束中心的垂直距离、冷原子云初始半径、探测光束半径三个参数的误差分别对于通过短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度时所带来的影响,并比较了这些参数各自的影响程度. 关键词： 冷原子温度 飞行时间 短程飞行时间吸收谱     

用吸收法对铯原子磁光阱中冷原子数目的测量

介绍了吸收法测量冷原子数的原理以及对铯原子气室磁光阱中俘获的冷原子数目的测量过程及结果. 与通常的荧光收集法相比，在原理上与静止二能级原子同共振单模光场作用的模型更加接近，同时大大减小了测量中的误差累积，提高了测量精度. 测得的冷原子数为(8±0.3)×10⁶，同时还利用测得的阱中俘获的稳态冷原子数和磁光阱中冷原子的寿命间接获得了磁光阱的俘获率. 关键词： 激光冷却与俘获 磁光阱 冷原子数目 俘获率     

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.     

冷原子的横向推载与探测

中在获得温度低，数目多的冷原子基础上，研究了冷原子传输速度与推的脉冲光各种参数之间的关系。     

用短程飞行时间吸收谱对铯磁光阱中冷原子温度的测量

介绍采用短程飞行时间吸收谱测量铯原子磁光阱(MOT) 中冷原子温度的基本原理及实验实现.与通常的飞行时间方法不同，采用短程飞行时间吸收谱来测量MOT 中冷原子云的温度.在MOT 区域正下方若干毫米处入射一束圆柱状共振探测光束(实验中对于h=3mm，5mm，8mm的情况均作了研究)，释放冷原子云，在其膨胀和自由下落过程中穿过探测光束，即可由光电探测器测得飞行时间吸收谱，由此推得MOT中冷原子的温度. 关键词： 磁光阱 冷原子 飞行时间 短程飞行时间 铯原子     

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     

磁光捕获冷原子和玻色-爱因斯坦凝聚的研究进展

介绍了磁光捕获冷原子和玻色-爱因斯坦凝聚的物理特性及相关发展和研究,阐述了如何通过实验得到磁光捕获和玻色-爱因斯坦凝聚,并介绍了相关仪器,详细说明了测量其温度及捕获的原子数量的方法.同时还介绍了插入光和磁场上移等获得玻色-爱因斯坦凝聚的方法及红失谐和蓝失谐光如何捕获冷原子的研究.最后介绍了作者所做的研究:冷原子的快速压缩法和玻色-爱因斯坦凝聚的绝热捷径.     

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.     

可移动型锶原子光钟的系统研制与钟跃迁谱线探测

主要介绍了可移动锶原子光晶格钟的系统研制和钟跃迁谱线探测。光钟系统采用尺寸为120 cm×50 cm×60 cm的小型化物理系统,通过光纤将模块化的子光路系统与物理系统连接。经过一级461 nm激光和二级689 nm激光冷却后,得到原子数目为1.02×10~6、原子温度为5.45μK的冷原子团。利用具有"魔术波长"的晶格光实现~(87)Sr的一维光晶格装载,晶格寿命为434 ms,晶格中原子温度为4.63μK。在具有超窄线宽的698 nm钟激光探测下,得到边带可分辨的钟跃迁谱、窄线宽简并谱、自旋极化谱及拉比振荡曲线。经钟激光探询后,得到的自旋极化谱的谱线线宽为11.79 Hz,接近傅里叶探测极限的理论值,为可移动光钟的闭环工作提供了频率参考。     

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.