中性原子在单束局域空心光束中的Sisyphus冷却

我们提出了一种采用径向分布的π位相板产生局域空心光束的新方法。研究发现局域空心光束的径向暗斑尺寸与相对孔径的倒数的一次方成正比，而轴向暗斑尺寸与相对孔径的倒数的二次方成正比，这表明改变聚焦透镜的焦距，即可有效地改变局域空心光束的暗中空区域。此外，在焦点附近局域空心光束的强度梯度很大，当它处于蓝失谐时，由强度梯度感应的Sisyphus冷却效应将非常显著。因此，蓝失谐的局域空心光束不仅可用于中性原子的激光囚禁，而且也可用于中性原子的激光冷却。我们采用Monte-Carlo模拟方法就中性原子在单束局域空心光束中的Sisyphus冷却的动力学过程进行了理论研究。结果表明一个温度约为3μΚ和密度为～1012atoms/cm3的超冷原子样品可以在我们的单束局域空心光束囚禁中获得。进一步的理论分析表明如果通过改变聚焦透镜的焦距来压缩上述超冷原子样品，将光阱中的原子密度控制在碱金属原子的BEC密度范围之内，并同时采用光学势蒸发冷却技术，将原子温度进一步冷却至光子反冲温度附近时，一个全光学冷却与囚禁的碱金属原子BEC也许能在我们的单束局域空心光束势阱中实现。     

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     

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     

新型发光二极管透镜产生局域空心光束

首次提出采用发光二极管和二次光学透镜直接产生单个局域空心光束的方法.首先从几何光学角度分析发光二极管点光源结合二次光学透镜产生局域空心光束的原理,推算出所得局域空心光束长度及最大暗域半径计算公式,随后用数值计算软件Matlab,3D建模软件Soidworks及光学仿真软件Tracepro计算得出一款二次光学透镜并进行了仿真验证.同时计算了可能获得的局域空心光束的最小尺寸和囚禁粒子的散射力.结果显示:该透镜能够产生单个局域空心光束,所得局域空心光束的长度及最大暗域半径都在误差允许范围内与理论计算符合.研究成果为采用发光二极管光源产生局域空心光束提供一种现实可行低成本的有效方法.     

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     

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     

产生多个高光强梯度局域空心光束的理论与实验

在实验中用贝塞尔光束与球面波叠加得到多个具有高强度梯度的局域空心光束(BB)。用衍射理论分析了贝塞尔光束与球面波叠加的光场,借助软件对两光场相干叠加的光强分布进行了模拟,结果表明在球面波的焦点附近能够形成多个高强度梯度的BB。实验中贝塞尔光束和球面波分别用轴棱锥和透镜对平行光聚焦获得,使两光场在同一传播轴上相干叠加,在球面波焦点附近观察到多个BB。通过对比可知,贝塞尔光束与球面波叠加所得BB比用两束贝塞尔光束干涉产生的BB在暗域处具有更大的光强梯度,更有利于稳定的粒子囚禁。     

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.     

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。     

Raman sideband cooling of rubidium atoms in optical lattice

We develop a simple and practical scheme to apply sideband cooling to a cloud of rubidium atoms. A sample containing 4 × 10~(70) ~(87)Rb is trapped in a far red detuned optical lattice. Through optimizing the relevant parameters, i.e., laser detuning, magnetic field, polarization, and duration time, a temperature around 1.5 μK and phase space density close to 1/500 are achieved. Compared with polarization gradient cooling, the temperature decreases by around one order of magnitude. This technique could be used in high precision measurement such as atomic clocks and atom interferometer. It could also serve as a precooling means before evaporation cooling in a dipole trap, and may be a promising method of achieving quantum degeneracy with purely optical means.     

冷原子穿越激光束的量子隧穿时间

原子通过激光冷却技术能够被制备在低温状态，这时冷原子云会展现出量子力学的波动性.研究了一束冷原子入射到一个蓝失谐的激光束上所表现出的量子力学隧穿效应.蓝失谐的激光束相对于冷原子而言等效于一个量子力学势垒.根据二能级模型，在理论上分析了具有内部结构的原子矢量物质波穿过激光束的量子力学反射与透射，特别是对原子穿越激光束所需的时间——量子隧穿时间进行了详细的研究.量子力学波动性使得冷原子穿越一个激光束时明显地展现出与经典粒子(热原子)不同的结果. 关键词： 冷原子 原子光学 量子隧穿     

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.     

Laser frequency stabilization for atom cooling and magnetic-field compression of the trap

We report a frequency stabilization technique of a diode laser in a Doppler-free atomic transition used for obtaining the magneto-optical trapping of Rb atoms. This technique, based on side locking to an atomic transition using a servo controller, is very simple and can be implemented straightforwardly to lock the laser at the red detuned frequency position required for laser cooling experiments. The number of trapped atoms and the temperature of the cold cloud have been determined. The effect of trapping the magnetic field on the cloud radius has also been analyzed.     

Three-dimensional integration of microoptical components buried inside photosensitive glass by femtosecond laser direct writing

We report the three-dimensional (3D) integration of microoptical components such as microlenses, micromirrors and optical waveguides in a single glass chip by femtosecond (fs) laser direct writing. First, two types of microoptical lenses were fabricated inside photosensitive Foturan glass by forming hollow microstructures using fs laser direct writing followed by thermal treatment, successive wet etching and additional annealing. One type of lens is the cylindrical microlens with a curvature radius R of 1.0 mm, and the other is the plano-convex microlens with radius R of 0.75 mm. Subsequently, by the continuous procedure of hollow microstructure fabrication, a micromirror was integrated with the plano-convex microlens in the single glass chip. Further integration of waveguides was performed by internal refractive index modification using fs laser direct writing after the hollow structure fabrication of the microlens and the micromirror. A demonstration of the laser beam transmission in the integrated optical microdevice shows that the 3D integration of waveguides with a micromirror and a microoptical lens in a single glass chip is highly effective for light beam guiding and focusing. PACS 42.62.-b; 81.05.Kf; 42.82.Cr; 82.50.Pt; 42.79.Gn     

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.     

Long, narrow all-light atom guide

A 1-mm-diameter all-light atom guide capable of transporting ultracold atoms tens of centimeters with high efficiency is described. We made the atom tunnel, a dark hollow beam that is blue detuned from resonance, by passing a few tens of milliwatts of energy from a TEM(00) diode laser beam through an optical sequence composed of three axicons and a simple lens. We demonstrate transport of 10(8)Cs atoms approximately 20 cm with minimal heating. We show that it is possible for one to control the direction and speed of the atoms in the tunnel by varying the detuning of the tunnel beam.     

Achieving ultracold Bose-Fermi mixture of 87Rb and 40K with dual dark magnetic-optical-trap

We demonstrate that dual dark magnetic-optical-traps (MOTs) have great importance in the two-species ⁸⁷Rb and ⁴⁰K mixture compared with dual bright MOTs. The dark MOT has a little improvement in the trapping of single-species ⁸⁷Rb or ⁴⁰K gases compared with bright MOT. For the case of loading two-species ⁸⁷Rb and ⁴⁰K simultaneously, the improvement of ⁴⁰K in the dual dark MOTs is mainly from the reduction of light-assisted collision losses. The dual dark MOTs employ a pair of conical lenses to produce the hollow beam for repump laser with high efficiency. The number and density of ⁸⁷Rb and ⁴⁰K atoms after evaporative cooling in the hybrid magnetic trap with dark MOT loading are compared with those in bright MOT. The atoms with large number and high density make it easier to realize the quantum degenerate of Bose-Fermi mixture.