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     

利用蓝失谐激光诱导微型光学偶极阱中冷原子间的光助碰撞提高单原子制备概率

借助于微米尺度的远失谐光学偶极阱(FORT)中蓝失谐光的光助碰撞效应与反馈控制系统,文章在实验上实现了FORT中单个原子的高效制备.结合原子的势能曲线,分析了原子在红失谐光和蓝失谐光作用下的光助碰撞效应,并且在实验上得到红失谐光诱导下单原子的制备概率约50%,蓝失谐光诱导下单原子的制备概率约80%.通过反馈控制系统,当原子数目小于1时,反馈控制使磁场梯度减小以快速俘获原子,当原子数目大于1时,反馈控制开启蓝失谐光场,使得原子一个个逃逸出阱中,最终实现了FORT中单原子的制备概率约95%,为下一步偶极阱的二维扩展奠定了基础.通过HBT实验测量FORT中单原子发出光子的统计特性,得到二阶相干度g(2)(τ=0)=0.08.     

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．     

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     

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     

大失谐连续输运激光情形下双磁光阱中冷原子的输运

在我们建立的铯原子双磁光阱实验装置上,采用连续激光将气室磁光阱中冷却并俘获的冷原子输运到超高真空磁光阱.在前期利用近共振弱光研究原子输运的工作基础上,我们将输运激光的负失谐量扩展到约2.0 GHz,并增大了输运光功率,对冷原子的输运作了实验研究.结果表明:在大负失谐情形下,较强的输运光使冷原子输运更为有效,归因于输运光束对原子的偶极力造成对冷原子的导引作用.     

一种新颖的全光型表面原子(分子)漏斗

提出了一种产生全光型表面原子(分子)漏斗的新方案.采用红失谐高斯激光束照明由柱面透镜组成的光学系统，可在透镜焦平面附近产生横向漏斗形光强分布，以构成一表面光波导型原子漏斗.计算了漏斗的光强分布及其光学偶极势与偶极力分布.研究结果表明：该原子漏斗可用于冷原子(分子)的表面光波导、分束器和干涉仪以及微阱囚禁的有效装载，因而在集成原子光学及其原子芯片的研究中有着重要的应用. 关键词： 原子漏斗 分子漏斗 光学偶极势 原子芯片     

稳态V型和Λ型无粒子数反转激光增益的比较研究

在相应参量取值相同的情况下,利用数值模拟的方法对比研究了封闭的V型和Λ型原子系统稳态增益随相干光场失谐量的变化规律.研究发现,这两种系统的稳态探测激光增益随探测激光场失谐量的变化曲线具有相似的形状,但数值上存在差异.这一现象与两种系统的原子相干性与粒子数分布的特点直接相关.另外,还发现驱动激光失谐及由于自发辐射诱导相干导致的原子相干性的增强能显著影响探测激光增益. 关键词： 无粒子数反转激光 失谐 原子相干性 粒子数分布     

玻色-费米气体量子简并光学偶极阱的设计

实现了将预冷却(温度约为1～2μK)的87 Rb和40 K原子装载到远红失谐的光学偶极力阱中,继而利用逐步降低光强的方法对其进行蒸发冷却,获得了87 Rb原子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),并用协同冷却的方法得到了40 K原子的量子简并(DFG)。实验上通过光纤传输远红失谐激光束降低了光束指向性的抖动,又利用光强反馈伺服系统抑制远红失谐激光的强度抖动,提高了获得玻色-爱因斯坦凝聚和简并费米气体的重复性和稳定性。实验上得到玻色-爱因斯坦凝聚的原子数达8.48×105个,简并费米气体的原子数量约为3.34×106个。     

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.     

空心光束的产生及其在现代光学中的应用

近年来,随着激光应用技术的发展,各种中心强度为零的激光束被相继产生,并正在形成一个新颖的所谓空心光束(也称暗中空光束)的大家族。作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手,空心光束在微观粒子(如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等)的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。本文将首先给出空心光束的定义及其参数,并详细介绍各种空心光束产生的基本原理、方法及其实验结果。其次,就空心光束的分类及其应用场合进行了简单归纳与讨论。最后就空心光束在微观粒子(包括微米粒子、纳米粒子、生物细胞和自由电子等)的光学囚禁与操控中的应用进行简要综述,并就空心光束的产生与应用及其未来研究与应用前景进行了简短总结与展望。     

Production and guidance of pulsed atomic beams on chip

We demonstrated two experimental methods of producing and guiding pulsed atomic beams on chip. One is to trap atoms first in a U-type magneto-optical trap on the chip, then transfer them to the magnetic guide field and push them simultaneously by a continuous force from the power imbalance of the magneto-optical trap laser beams hence the pulsed cold atom beams are produced and move along the magnetic guide to the destination. The other is to trap atoms directly by a H-type magneto-optical trap, then push them to make them move along the magnetic guide field, thus high rate cold atom beams can be produced and guided on the chip.     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性     

氖原子对2000 eV X射线激光透明的产生机制

X射线自由电子激光与物质相互作用时出现了X射线透明现象,研究X射线透明现象的产生机制对理解X射线自由电子激光与物质相互作用过程具有重要参考价值.本文基于FAC(Flexible Atomic Code)程序计算的氖原子(离子)对2000 eV X射线的光电离截面和俄歇衰变速率,确定了不同通量密度下氖原子的主要电离方式;通过建立和解速率方程,得到了确定的电离方式中氖元素各电子组态数目比例随时间变化的公式,计算了氖原子在通量密度为2000和10000?~(-2)·fs~(-1)、持续时间为20 fs、光子能量为2000 eV的X射线激光照射下,任意时刻各主要电子组态的原子数目比例和总的氖原子平均光电离截面.建立了价电子完整的空心原子的数目比例随通量密度和曝光时间变化的公式.发现裸核和空心原子都会导致X射线透明,且选择恰当的通量密度和脉冲持续时间可以使价电子完整的空心原子数目比例达到极高.     

Generations of dark hollow beams and their applications in laser cooling of atoms and all optical-type Bose－Einstein condensation

We report on a new experimental result to generate dark hollow beams by using a geometric optical method. We propose two new methods to produce focused and localized hollow laser beams by using π-phase plates. Using Monte-Carlo simulations, we have studied the Sisyphus cooling of alkali atoms in pyramidal hollow beam gravito-optical traps. We discuss some potential applications of the dark hollow beams in atom optics and the preparation of an all optically-cooled and optically-trapped atomic Bose－Einstein condensation (BEC). Our research shows that an ultracold atomic sample with a temperature of ～ 2μK can be obtained in the pyramidal hollow beam dipole trap and an all optical-type BEC may be realized in a far blue-detuned, hollow beam trap.     

用线偏振光产生可调矢量椭圆空心光束

提出了利用π相位板产生矢量空心光束的新方案,两个偏振方向互相垂直的线偏振光波分别通过π相位板调制后进行强度叠加,得到椭圆空心光束,用矩形光阑调节相位板的几何尺寸,可以实时调节椭圆的离心率;调节π相位板的方位,能够实现径向矢量空心光束到角向矢量空心光束的转换。分析、讨论了方案的可行性和在原子光学中的潜在应用,结果表明:本方案在原子光学中有很好的应用前景。     

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.     

非线性晶体产生的空心光束中大尺寸粒子囚禁与导引

提出了一种基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束与光泳力的大尺寸粒子二维囚禁与一维导引、三维囚禁方案.理论上分析并计算了单个非线性ZnSe晶体产生的空心光束内粒子受到的横向与纵向光泳力,纵向光泳力的大小同粒子尺寸与光束尺寸比例的四次方成正比,与空心光束功率成正比,方向与光束传播方向一致.粒子尺寸与空心光束尺寸越接近时,横向光泳力的大小越大.结果表明该光泳力可以实现对大尺寸粒子的二维囚禁,同时可对粒子进行长距离(米量级)一维定向导引;理论上分析并计算了基于双非线性ZnSe晶体产生的局域空心光束内粒子所受横向与纵向光泳力情况,光泳力与系统参数的依赖关系与单个非线性晶体产生的空心光束中的粒子受力情况类似,不同的是该条件下纵向光泳力指向光束中心.结果表明该局域空心光束可以实现大尺寸粒子的三维有效囚禁.基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束或者局域空心光束可以作为大尺寸粒子非接触式有效操控的工具,在现代光学以及生物医学中有潜在的应用.     

The research of propagation characteristic and formation of double half-Gaussian hollow beams

A new kind of hollow beams, double half-Gaussian hollow beams, was put forward. With the help of the Collins formula, the analytical equation of propagation and transformation of the hollow laser beams in free space was deduced. The simulation shows that the intensity exhibits the three-dimensional trap distribution in the near-field, while the double half-Gaussian hollow beams turn into solid laser beams when propagating a certain distance, which shows the characteristics of self-focus. The double half-Gaussian hollow beams were obtained by means of the dual-reflecting splitting optical system. The intensity of the vertical loop in different distances was tested, which shows that the analytical equation of propagation and transformation is in agreement with the result. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. KB92009)