第二讲 分子束的静电Stark减速、静磁Zeeman减速和光学Stark减速技术

文章首先回顾了分子在外场中的三个效应及其冷分子被外场操控的基本原理,接着简单介绍利用分子与电磁场的相互作用来实现分子束减速的基本原理。随后详细介绍各种分子束减速的技术方案、实验结果及其最新研究进展,包括分子束的静电Stark减速、静磁Zeeman减速和光学Stark减速技术。最后,简单介绍了由上述减速技术获得的冷分子样品在冷碰撞物理、冷化学物理和精密测量物理等领域中的应用研究。     

第一讲 中性分子的缓冲气体冷却与速度滤波技术

文章首先介绍缓冲气体冷却的基本原理、实验方案与结果及其最新研究进展。其次,详细介绍产生冷分子束的低通速度滤波器的基本原理、技术方案及其实验结果。主要包括基于静电弯曲导引技术的Stark速度滤波方案、基于静磁弯曲导引技术的Zeeman速度滤波方案和基于激光弯曲导引技术的交流Stark速度滤波方案。最后,简单介绍缓冲气体冷却和速度滤波技术的应用研究。     

超冷分子物理与分子光学及其最新进展(综述)

随着原子光学的快速发展,一门新兴的有关研究中性分子与电场、磁场和光场等相互作用及其应用的学科-"分子光学"正在逐步形成.本文首先就"分子光学"的学术内涵及其研究内容作一简单类比与讨论,并就超冷分子的国际会议概况进行了简单介绍;其次,重点就"分子光学"的实验研究概况及其最新进展进行了详细的介绍与综述,这些实验主要包括(1)冷分子样品的制备;(2)中性分子的激光操纵与控制;(3)中性分子的衍射与干涉;(4)中性分子的磁、光囚禁;(5)中性分子的电、光冷却等.最后,就分子光学及其分子光学器件的研究意义,目标与应用前景进行了简单讨论与展望,并就我国开展分子光学的研究提出了几点建议.     

第四讲 冷分子的导引、分束、反射、聚焦与囚禁等操控技术

近年来,随着冷分子制备技术的不断发展和冷分子温度的不断降低,冷分子操控技术取得了快速发展,并日趋成熟。文章首先介绍了冷分子导引、分束、反射与聚焦等操控的技术方案、实验结果及其最新研究进展。接着重点介绍冷分子静电囚禁、磁囚禁和光学囚禁的各种方案、实验结果及最新进展。最后就冷分子操控技术的应用进行了简单的总结与展望。     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科一“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展：包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科—“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展:包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

固体材料激光冷却的实验研究及其最新进展

近年来,基于反斯托克斯荧光制冷(Anti-StokesFluorescentCooling)的固体材料激光冷却技术得到了快速发展。本文首先简单介绍了固体材料激光冷却的基本原理及其技术;其次,详细介绍了各种固体激光冷却的新材料、新方案和新结果及其最新实验进展;最后,就固体激光冷却技术的应用前景及其未来发展方向等问题进行了简单讨论与展望。     

固体材料激光冷却的实验研究及其最新进展

近年来，基于反斯托克斯荧光制冷(Anti—Stokes Fluorescent Cooling)的固体材料激光冷却技术得到了快速发展。本文首先简单介绍了固体材料激光冷却的基本原理及其技术；其次，详细介绍了各种固体激光冷却的新材料、新方案和新结果及其最新实验进展；最后，就固体激光冷却技术的应用前景及其未来发展方向等问题进行了简单讨论与展望。     

采用半高斯光束实现连续分子束减速的新颖光学Stark减速器

非均匀静电场形成的Stark减速器仅能用于极性分子束的减速与冷却，非均匀磁场也仅能用于顺磁分子的操作与控制。然而，激光可以与任何分子或原子相互作用。因此，由激光场形成的光学Stark减速器可以用于非极性和非顺磁分子束的减速。本文提出了一种由半高斯光束形成的新颖光学Stark减速器，报道了半高斯光束产生的实验方案及其理论与实验结果，详细分析了半高斯光束Stark减速器对连续射流分子束的减速作用。     

基于调制光晶格的中性分子束光学Stark减速与囚禁的理论研究

本文基于分子束光学Stark减速理论,提出采用调制的红失谐光晶格来减速和囚禁任意脉冲超声分子束方案,并予以理论研究.以CH₄超声分子束为例,利用Monte-Carlo方法模拟了调制光晶格中的分子减速与囚禁的动力学过程,给出减速级数、同步分子初始位相角与减速效果的关系.研究结果表明：随着减速级数的增加,被减速的分子波包逐渐从原来的分子速度分布的大波包中分离开来,且减速级数越高,减速后的分子速度越小.在其他条件相同时同步分子初始位相角越大,减速波包内的分子数目越少,同时位相空间被压缩.与未调制的光晶格减速方案相比,本方案中无分子自由飞行过程,在相同的光晶格长度内完成了双倍的减速级数.当光晶格长度取3.71 mm时,模拟结果显示CH₄分子从280 m/s减速至172 m/s,而未调制光晶格只能将CH₄分子从280 m/s减速至232 m/s,减速效果提高了26%.本方案可以集分子的减速、囚禁于一体,是一种新型的分子光学功能器件,在冷分子光学、量子信息、冷化学等前沿研究领域中有潜在的应用.     

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.     

极性分子的激光冷却及囚禁技术

分子由于其不同于原子的特殊性质,在原子、分子和光物理研究中有其独特的地位.冷分子研究已经开展了二三十年,取得了很多重大的进展.但是以斯塔克减速器为代表的传统冷却方案遇到瓶颈,很难进一步提高分子的相空间密度.将原子中成熟的激光冷却技术拓展到极性分子中是本领域近年来的重大突破,使得冷却和囚禁分子的范围得以大大扩展,分子的相空间密度也得以提高.本文对国内外激光冷却极性分子的最新成果进行综述,并以BaF分子为例介绍激光冷却极性分子的相关理论和技术,包括分子能级结构分析及精密光谱测量,采用缓冲气体冷却进行态制备和预冷却,以及通过冷分子束研究激光与BaF分子间的相互作用.这些为后续开展激光冷却与囚禁实验研究奠定了基础,也为开展其他新的分子冷却实验提供了参考.     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

磁光阱中冷原子的实验特性

冷原子的获得对于原子物理的研究具有重要的意义,文章综述了激光冷却与囚禁原子技术发展以来对磁光阱中中性冷原子特性的研究进展,包括冷原子对光子的吸收与散射,冷原子之间的吸引与排斥导致的超冷碰撞与长程分子状态,朱子的非线性特性等。     

基于A~2Π_(1/2)←X~2Σ_(1/2)跃迁的CaH分子激光冷却光谱理论研究

冷分子是当下物理学的前沿领域和热点研究方向之一,早在2004年就有科学家提出将CaH分子作为激光冷却与磁光囚禁的候选分子.本文首先用三种方法(莫尔斯势法、闭合近似法和RKR反演法)计算CaH分子的弗兰克-康登因子,证实了CaH的X~2∑_(1/2)态和A~2∏_(1/2)态之间具有高度对角化的弗兰克-康登因子矩阵.随后,采用有效哈密顿量的方法研究了基态X~2∑_(1/2)的超精细能级结构和A~2∏_(1/2) (J=1/2,+)←X~2∑_(1/2) (N=1,-)跃迁的超精细跃迁分支比,并提出可同时覆盖超精细能级的边带调制方案.最后,为探究CaH分子磁光囚禁的相关性质,计算了|X,N=1,-态的塞曼效应和J混合下的朗德g因子.以上工作不仅证明了激光冷却和磁光囚禁CaH分子的可行性,而且对天体物理学中的光谱分析、超冷分子碰撞以及探索基本对称性破缺等基础物理学的相关研究也具有一定的参考意义.     

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     

原子漏斗及其应用

文章简单介绍了磁、光原子漏斗的基本原理，详细综述了各种原子漏斗方案及其实验结果．这些漏斗方案主要包括采用红失谐高斯光束、蓝失谐消逝波光场和空心光束串联而成的光学原子漏斗，采用载流导线的静磁原子漏斗以及采用磁光凝胶构成的磁光原子漏斗．文章最后还简单介绍了原子漏斗在原子光学领域中的潜在应用．     

采用相位调制实现冷原子或冷分子囚禁的改进型空心光阱

提出了采用单束平面光波照射圆孔与二元相位板组合系统产生蓝失谐空心光阱的新方案,分析了空心光阱的光强分布和相应的光学囚禁势分布与相位板相位值φ的关系,并导出了光阱的几何参量与光学系统参量间的解析关系。研究发现,通过二元相位板的相位调制作用可改善空心光阱的光强分布,产生具有更大囚禁体积和更高有效光强的空心光阱。当用功率100 W波长540 nm的倍频掺镱光纤激光照射圆孔与π相位板组合系统时,对87Rb原子的光学囚禁势可达80.2μK,该方案不仅装置简单可行,操作方便,而且在冷原子分子物理、原子分子囚禁和生命科学领域,有着广阔的应用前景。     

实现冷原子或冷分子囚禁的双层光阱列阵

提出了一种新颖的实现冷原子或冷分子囚禁的双层光阱方案,它由二元π相位板列阵和会聚透镜列阵所组成,用平面光波通过此光学系统时将在透镜焦平面两侧形成双层光阱.介绍了产生双层光阱的基本原理,分析了光阱光强分布、强度梯度等与光学系统参数间的关系,研究了双层光阱囚禁原子(或分子)的光学偶极势和自发散射速率(包括瑞利散射和拉曼散射)等.该方案不仅可用于多样品原子(或分子)的光学囚禁及全光型玻色一爱因斯坦凝聚(BEC),而且可用于制备新颖的双层2D光学晶格.