激光冷却获得高亮度的亚稳态惰性气体原子束和原子阱

高强度的亚稳态惰性原子束流在原子分子物理实验研究中具有广泛的应用.使用射频电离方法和激光横向冷却技术制备了高强度的亚稳态氪原子束流,并使用数值模拟方法对横向冷却激光场中的原子径迹进行了分析.通过激光诱导荧光光谱方法测量原子束的束流特性,结果显示,横向冷却后在束流源下游230 cm处的原子束流强度达1.6atoms/(s*sr),束流强度提高了两个量级.利用这种高强度原子束流,我们成功囚禁了1.3×10¹⁰个亚稳态⁸⁴Kr原子,同时冷原子装载速率达到了3.0×10¹¹atoms/s;并利用该装置成功地实现了高亮度的亚稳态氩原子束和原子阱. 关键词： 横向冷却 原子束 原子阱 惰性气体     

用激光感生荧光法测量亚稳态原子寿命

本文用激光感生荧光法(LIF)分析了Gd原子亚稳态能级215cm~(-1),533cm~(-1),999cm~(-1)在原子束中的速度分布。由原子束轴线上两不同点上的亚稳态原子速度分布的变化得到了亚稳态原子的寿命。理论分析和实验结果表明这是一种简单、灵敏并且有效的亚稳态原子寿命测量方法。     

一维原子刻蚀的数值模拟

通过直接的数值模拟，分析了原子束在激光驻波场下传播的动力学行为．估计了Cr原子沉积在基片上的焦点的大小，同时还发现一些实验参数会影响原子刻蚀的精度：如原子束的速度分布、激光的失谐量和激光束的直径等．     

钇原子亚稳态寿命的测量

利用基态原子无穷长的寿命以及亚稳态原子在飞行过程中的衰减,比较由激光感应荧光法测量到的钇原子束基态和亚稳态的速度分布曲线,经过拟合处理计算,得到钇原子亚稳态a~2D_(5/2)的寿命为(0.8±0.2)ms.     

量子模型分析激光驻波原子透镜的像差

采用量子模型对近共振激光驻波原子透镜会聚Cr原子束、形成纳米量级光栅结构的物理过程进行数值模拟。为提高原子透镜的成像质量,对各种像差,如衍射像差、球差、色差、及原子束发散角、原子磁支能级、原子同位素等因素引起的像差进行了理论分析。模拟结果表明,相比粒子光学模型,量子模型能更加精确地描述原子会聚结果,且能解释原子在驻波光场中的衍射现象。在各种像差中,原子束发散角是最主要的因素,其影响大于衍射像差、球差、色差。原子的磁支能级、同位素等因素对像差影响很小,可以忽略不计。激光冷却准直原子束的方法可以减小束发散角引起的像差,压缩原子速度Vz分布范围的方法可以减小色差。     

激光驻波场中钠原子沉积图样的理论研究

原子在近共振激光驻波场中受光的作用力汇聚沉积，形成以激光半波长为周期的光栅结构. 利用半经典模型对钠原子束在不饱和驻波场中的运动行为进行了理论研究，用数值方法模拟出在考虑横向温度、纵向速度和自由飞程后钠原子沉积的光栅结构，通过半高宽、对比度对最终沉积图样进行表征，分析了这些因素对沉积的影响，为正在开展的原子光刻实验提供了必要的理论依据. 关键词： 原子沉积 半经典模型 激光驻波场     

大预准直狭缝的铬原子束一维多普勒激光准直

介绍了横向尺寸为5 mm的大尺寸预准直狭缝前提下，铬原子束的一维多普勒激光准直实验，研究了激光功率和作用区域对铬原子束激光准直效果的影响.从激光驻波场中原子所受的力出发，利用适当步长的四阶Runge-Kutta算法对实验进行理论模拟.理论结果和通过Matlab程序读取的实验结果都表明在这种大尺寸的预准直狭缝前提下，经激光准直后的原子束的横向分布被压缩的同时，峰值也被大大提高.在作用区域一定时，随着激光功率的增加准直原子束的半高宽有减小的趋势，峰值有增大的趋势；激光功率一定时，随着作用区域的增加激光功率的增 关键词： 铬原子束 光学粘胶 激光准直 激光稳频     

用完全非共振光驻波聚焦原子制作纳米结构分析

用完全非共振激光驻波场对热原子束实现纳米量级的聚焦，可以降低原子光刻试验的难度. 用蒙特卡罗算法和轨迹模拟法分析原子源对原子聚焦的影响，结果表明靶的有效尺寸对纳米 图形线宽的影响远大于原子束的发散角和原子的纵向速度分布. 提出几种改进试验的方法. 关键词： 完全非共振激光驻波场 原子聚焦 纳米结构制作     

红移高功率大失谐驻波光场原子光刻

研究了红移大失谐驻波光场在高功率的情况下对原子束的聚焦特性，数值结果显示在激光功率较高的情况下，有实现原子光刻的可能。在单线功率输出为P＝7W，光斑尺寸为wo=0.1mm的Ar^ 离子激光束的条件下，Cr原子束在置于焦平面处的基板上所沉积的条纹半高宽度为20nm左右，对比度为4－5。提出了用增强腔来提高条纹对比度和减小色差的办法。在势阱深度增强2500倍时，沉积的条纹半高宽度为5nm-10nm，对比度约为7，条纹有了明显的改善。     

稳定的高亮度低速亚稳态氦原子束流

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键.亚稳态(2~3S)氦原子的精密光谱测量在检验量子电动力学、测定精细结构常数研究中受到重要关注.本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度,并利用反馈控制稳定束流强度.实验测得,所产生的亚稳态氦原子连续束流在(100±3.6)m/s速度下,强度达5.8×10~(12)atoms/(s·sr),相对稳定度为0.021%.利用该原子束,示范了在仅0.1%的饱和光强条件下进行4 He原子2~3S—2~3 P跃迁的光谱探测,此时由探测光功率带来的频移低于1 kHz.     

圆锥磁绝缘传输线的横向空间电荷流

根据电磁场基本理论及电子运动守恒方程，导出圆锥传输线横向空间电荷流的数值模型和磁绝缘临界条件。通过数值计算，讨论了电压及圆锥几何结构参数等对横向空间电荷流和磁绝缘性能的影响。电压较高时,无磁场的空间电荷流较大，而磁绝缘性能更好。在传输线的三个几何参数中，几何因子对传输性能影响最大。     

基片衍射对会聚激光驻波场中原子波包几率密度演化的影响

针对激光会聚铬原子沉积实验,运用标量衍射理论,通过数值模拟研究了基片衍射对会聚激光驻波场中原子波包几率密度演化的影响。结果显示基片衍射的影响会随激光中轴线与基片沉积表面距离b0的变化而变化。相对于非衍射情况,衍射效应会提高激光驻波场中会聚平面内原子波包几率密度分布的中心值,同时减小其半峰全宽。当参量b0=－0.2w0(w0为高斯光束的束腰半径)时,原子波包几率密度的会聚平面和基片沉积表面完全重合。此处,衍射时原子波包几率密度分布的中心值为1.26,其半峰全宽为5.62 nm,两者分别为非衍射时的1.1倍和0.94倍。     

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.     

Optical pumping of a Ne(3P2) atom beam with a multimode laser

Stable optical pumping of a neon metastable atom beam is achieved using a multimode dye laser. The factors that give rise to this stability are discussed. The resultant polarized beam is suitable for the study of electron spin and orbital orientation dependences in a variety of metastable atom collision processes.     

A naturally occurring trap for antiprotons

The phenomenon of delayed annihilation of antiprotons in helium is the first instance of a naturally occurring trap for antimatter in ordinary matter. Recent studies of this effect at CERN are summarised, and plans are described for laser excitation experiments to test its interpretation in terms of metastable exotic helium atom formation.     

利用激光冷却原子束测量氦原子精密光谱

⁴He原子2³S₁→2³P_0,1,2跃迁的精细结构分裂,目前在理论和实验上都能够达到10^-8水平的精度,并可被应用于测定精细结构常数α, 和对量子电动力学进行检验.该方面实验研究的关键, 是需要提高测量信噪比,并消除各种可能的系统偏差, 将这一精细结构分裂测量到亚kHz水平.在设计的这套实验方案中, 首次结合激光冷却原子技术,通过激光横向冷却来提高亚稳态氦原子束的束流强度,并对三态亚稳态氦原子进行偏折, 将其从原子束中分离,从而大幅降低测量背景,并利用频率锁定激光器的边带扫描的方式来进行光谱测量,以使得扫描测量中保持足够的频率精度. 在目前基本搭建成的实验装置上,实验方法的可行性已经获得验证,分析表明有望实现亚千赫兹水平的测量准确度.     

圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式

球面波入射圆锥透镜产生的出射光束中心光斑直径较小且焦深长，适合通讯领域长距离测量和准直。针对实际操作中球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的中心轴线发生偏移或倾斜，使衍射光场发生变化，着重研究圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式，并通过衍射理论和稳相法分析，研究其径向衍射光场的分布特性。使用半径为15mm，底角为1°的圆锥透镜进行计算机仿真和实验，最后将实验结果与理论分析和仿真结果相比较，证明球面波的曲率半径和出射光束的传输距离越小，偏轴对衍射模式的影响越小。该研究结果表明：在激光通讯等长距离通信中，使用曲率半径小的球面波光束代替平面波入射圆锥透镜，不仅可以扩展焦深，还可以降低偏轴对测量的影响。     

Magnetic hexapole lens focusing of a metastable helium atomic beam for UV-free lithography

Sources of rare gas atoms in excited metastable states have been used to expose photoresist-coated substrates to demonstrate atom lithography. These thermal atomic beams are usually created by discharge sources that also produce copious amounts of UV radiation. The UV radiation simultaneously illuminates the substrate and may play a complementary role in altering the photoresist together with the metastable atoms. In the experiments reported here, we have isolated the UV component using a magnetic hexapole lens to focus a thermal beam of metastable helium atoms around a fiducial mask that blocks the UV light. This creates an atom lithography exposure that is the result of illumination by the atoms alone. We have also modelled the performance of the magnetic hexapole lens as a potentially useful device for atom lithography. PACS 39.25.+k; 81.16.Nd     

Spectroscopic study of laser irradiated chromatin

Antiprotonic helium is a metastable three-body neutral atom consisting of an antiproton, a helium nucleus and an electron, which we serendipitously discovered some 20 years ago. The antiproton, which normally annihilates within a few picoseconds when injected into matter, can be “stored” in this system for up to several microseconds, and laser spectroscopy is possible within this time window. From the laser transition frequency, the antiproton-to-electron mass ratio can be deduced to high precision. Recent progress at CERN’s antiproton decelerator (AD) will be discussed.