超冷~(87)Rb原子在二维光晶格中Mott绝缘态的实验实现

超冷原子气体的量子相变是研究量子关联多体物理的核心内容之一.本文采用单一激光光束通过折叠反射产生二维光晶格,通过控制激光偏振产生两种不同的二维光晶格结构,一种是两个独立的一维光晶格构成,另一种是两个方向的一维光晶格互相干涉形成.将超冷~(87)Rb原子装载到二维光晶格中,通过改变光晶格激光功率调控原子在光晶格中的隧穿强度和相互作用强度,观察到~(87)Rb原子从超流态到Mott绝缘态之间的量子相变,并且分析了两种光晶格对量子相变的影响,为今后开展光晶格中强关联物理研究奠定基础.     

用于原子干涉测量的Raman光系统设计与实验

研究了基于光学锁相环技术的Raman光系统,系统包含参考光、主激光和从激光三束激光,其中参考光采用调制转移光谱稳频后用做频率基准,主激光相对于参考光频差1 GHz实现相对于激发态远红失谐以避免激光与原子的直接作用,从激光相对于主激光频差6.8 GHz用于激发87Rb原子基态超精细能级之间的跃迁,采用两套光学锁相环分别实现主、从激光的锁频锁相。测量结果表明,两套光学锁相环的相位噪声在100 Hz～1 MHz频段分别低于-70 dBc/Hz和-65 dBc/Hz,因此相位噪声对单次原子干涉重力测量的影响为5.3×10~(-7)。采用两台锥形放大器分别对主、从激光进行功率放大以保证主、从激光功率比严格为1∶2,采用光纤传输与空间光传输相结合的设计实现主、从激光的合束、偏振统一及频率调制,最终获得的Raman光总功率为180 mW。持续功率测量结果显示,在没有额外增加功率稳定元件的条件下Raman光的总功率最大起伏小于5%,满足原子干涉测量实验需求。     

量子“蹦床”能够检测引力

这是世界上最小的蹦床(trampoline).弹跳的原子和激光一起能对引力进行超精确的测量.验证引力理论,如广义相对论,可以利用超冷原子的集团在一真空室内的下落来精确地测量引力的强度.这种原子集团被称为玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensates简称BECs).BECs按照量子力学的波动状态方式行事,互相干涉.干涉图     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量

提出一种基于原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量的方法.以π/2-π-π/2构型的空间型原子干涉仪为例,通过对拉曼激光进行相位调制,然后在动量谱空间测量转动对原子速度谱的调制周期,获得原子干涉仪相对惯性空间的绝对转动.文章对于采用该法进行角速度测量的测量范围以及对相位调制频率的要求进行了分析,对于散粒噪声限下的转动测量灵敏度及其影响因素进行了仿真. 关键词： 原子干涉仪 原子陀螺 相位调制 绝对转动测量     

利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量

提出一种基于原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量的方法.以π/2-π-π/2构型的空间型原子干涉仪为例，通过对拉曼激光进行相位调制，然后在动量谱空间测量转动对原子速度谱的调制周期，获得原子干涉仪相对惯性空间的绝对转动.文章对于采用该法进行角速度测量的测量范围以及对相位调制频率的要求进行了分析，对于散粒噪声限下的转动测量灵敏度及其影响因素进行了仿真.     

基于外差法的光纤激光器相干合成

采用波长1064 nm,功率为1 W的种子激光实现了两路光纤激光的相干合成,采用了两只保偏光纤准直器接收两路光干涉信号,与利用透镜直接把干涉信号会聚在探测器上相比,这种耦合方式得到的光干涉信号的条纹对比度更高。对相位噪声以及相位噪声的带宽进行了研究,结果表明,相位噪声由电信号串扰以及环境扰动产生。通过人为拨动光纤来增加相位噪声带宽,当相位噪声带宽增加时,相位控制精度下降。提出了提高相位控制精度的方法,实验获得了桶中功率为21.3%、斯特列尔比为79%、相位控制精度为0.008的相干合成效果。     

用于超冷原子囚禁的一体式结构三维光晶格系统

为优化用于冷原子装载的三维光晶格囚禁势阱,提出一种一体式结构且具有腔增强效果的三维光晶格系统。基于激光与原子的相互作用理论,对用于碱土金属~(88)Sr冷原子囚禁的光晶格势阱进行研究,通过对Lamb-Dicke参数η的讨论得到该势阱束缚能力对阱中原子的作用效果,当η1时,原子被强束缚,与载波跃迁相关的拉比辐射值最大,边带激发跃迁被抑制。通过使一束入射激光在多个特殊角度设置的反射镜之间传播,实现3对激光之间相互正交的三维光晶格。研究结果表明,在实现相等势阱深度的前提下,该三维光晶格系统所需激光功率仅为传统晶格系统激光功率的1/15,此时势阱深度最大值为86μK,对温度在几个或十几μK量级的锶冷原子囚禁是非常有效的,并得到晶格轴向上的囚禁频率约为158 k Hz,相应的η为0. 17。此外,还表明晶格光场偏振态对该三维光晶格势阱的稳定性分布具有明显的影响,可通过使各维度光束的偏振相互垂直,消除干涉引入的负面影响。该一体式三维光晶格能够降低对原子本身的干扰,有利于准确捕捉晶格势阱中,被囚禁原子的内部信息。该研究为实现高效光晶格装载冷锶原子及其它碱土金属原子提供理论参考。     

原子系统中基于关联相位涨落的量子干涉调控

提出了一种利用原子系统的关联相位涨落调控量子干涉的方法。原子之间的碰撞以及原子与外界热库的耦合会导致原子能级产生随机的相位涨落。研究了不同能级的相位涨落的强度和他们之间的关联对原子相干性和量子干涉的影响。结果表明,正关联相位涨落可以增强相消量子干涉(探针光的吸收减弱),而反关联相位涨落可以增强相长量子干涉(吸收增强)。在特定条件下量子干涉消失,原子对探针光的响应由Autler-Townes分裂决定。最后,研究了耦合光Rabi频率对量子干涉的影响。当耦合光较弱时,可以利用原子能级的关联相位涨落有效地调控量子干涉;当耦合光很强时,量子干涉非常弱,可以被忽略。     

用于镱原子光钟759nm光晶格激光的频率锁定

本文报道了一种用于镱原子光钟的759nm光晶格激光频率锁定方法。759nm激光通过PoundDrever-Hall(PDH)技术锁定在一个腔长为10cm的超低膨胀系数(ULE)的高细度Fabry-Perot(FP)腔上。激光频率被锁定后的测量结果表明,759nm的光晶格激光线宽被压窄到小于200kHz;运用频率锁定的759nm激光和飞秒光梳拍频来监测超稳腔的长期漂移率,结果显示ULE超稳腔的漂移率为0.16 Hz/s。将锁定后的759nm光晶格激光用于镱原子光钟光晶格的装载,实现了镱原子在光晶格场中的稳定装载以及对光晶格场频率的精确控制,从而为镱原子光钟的闭环运转做了必要的技术准备。     

超低频调制光缔合光谱的实验研究

通过激光冷却技术在磁光阱中俘获原子数约107,温度约200 μK,直径约400 μm的超冷铯原子,利用超冷铯原子光缔合方法制备了激发态的超冷铯分子。实验研究了光缔合光不同扫描速率对铯分子振转光谱分辨率的影响,发现光缔合光扫描速率较慢时,铯分子振转光谱分辨率较高。通过高灵敏的雪崩光电探测器探测冷原子荧光,获得了超冷铯分子第一激发态6S_1/2+6P_3/2离解限0-_g长程态高分辨振转光谱。为了实现受控拉曼光缔合制备超冷基态分子,光缔合激光频率需要锁定在原子-分子共振跃迁线,对超冷原子光缔合光谱进行了超低频波长调制,通过改变调制幅度和调制频率获得最优化的一阶微分信号,将该信号反馈回激光器,实现闭合环路稳频,满足了受控拉曼光缔合制备振转能级可控的基态分子的实验要求,该工作对研究受限空间中的超冷原子分子具有很重要的意义。     

半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉

玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案,研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学,得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明,当自旋相关光晶格关闭后,非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉,形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时,扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射,反射波与入射波产生二重干涉,在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡,干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识,为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.     

一种新颖的表面空心微光阱阵列

提出了采用四台阶相位光栅与微透镜阵列组合产生一种新颖的表面空心微光阱阵列的方案，研究了表面空心微光阱阵列的光强分布，计算了相应的光学囚禁势，并讨论了该微光阱阵列在原子分子光学中的潜在应用.研究表明当用1W的YAG激光照射时，在1cm²面积上可产生近10⁴个空心光阱，每个光阱具有较小的囚禁体积和较大的有效光强及其强度梯度，对⁸⁵Rb原子的光学囚禁势可达190μK.如此深的光阱足以囚禁冷原子或冷分子，并可用于实现全光型原子或分子玻色-爱因斯坦凝聚，甚至制备新颖的光学晶格等. 关键词： 空心光阱 冷原子或冷分子 光学晶格     

光晶格中非相干超冷原子的密度关联效应

陷俘于光晶格中的Mott绝缘体态原子是非相干物质波波源. 这种物质波从光晶格释放后不会出现一阶干涉现象,但是存在二阶干涉(密度关联)效应. 针对这一现象,理论上给出了自由膨胀超冷原子气体的密度关联函数,该函数表现出清晰的干涉峰,其条纹结构与光栅衍射谱类似. 进一步研究表明,密度关联函数的峰值结构与两探测器的相对位置有关,出现了物质波的"亚波长干涉"现象. 关键词： 光晶格 密度关联函数 两粒子干涉     

基于全息成像技术构建任意的二维光晶格阵列

利用Gerchberg-Saxton算法生成任意的二维光晶格阵列的全息图,并且将全息图加载到液晶型空间光调制器上,然后将850 nm的激光照射到空间光调制器的液晶屏上,利用透镜的傅里叶变换特性,成功地显示或构建任意形状的二维光晶格阵列。将该系统应用到87Rb的冷原子实验中,成功俘获冷原子,这为接下来的单原子多量子位的量子模拟实验奠定了基础。     

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.     

简并量子拍激光

Λ和V型系统都由于原子相干性既可显示无反转有激光又可显示有反转无激光。原子相消干涉可抑制Λ型激光的相位噪声,相长干涉则可抑制V型激光的相位噪声。 关键词：     

~(87)Rb玻色-爱因斯坦凝聚体中双拉曼相对相位对相干跃迁操控的实验研究

发展了利用两对拉曼光之间的相对相位精确调控拉曼耦合强度的新方法,实现了两个量子态相干跃迁的操控.对两对拉曼光的光路进行了特殊设计,从而保证两对拉曼激光在传输过程中的相对相位保持恒定,然后作用到~(87)Rb原子的两个超精细塞曼能级|1,1〉和|1,0〉上,实验观测了两个量子态的布居数随两对拉曼光之间的相对相位的变化关系.该方法为超冷原子量子模拟实验提供了一个独特的操控参量——激光相位,由此拓展了受激拉曼跃迁的应用范围,为研究光与原子相互作用提供了一种新的方法.     

冷镱原子精密光谱的研究进展

文章简要介绍了冷原子精密光谱研究方面的重要进展,报道了作者所在课题组近年来在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面所取得的最新研究结果,最后对光学原子钟的发展进行了展望。