铯原子相干光谱及铯原子在磁光阱和三维近共振光学晶格中的装载与俘获

摘要

量子光学主要研究原子同光场的相互作用，它借助光对原子、离子等客体的量子态进行制备、探测和控制，其中电磁感应透明、电磁感应吸收等相干光谱和激光冷却与俘获原子是实现量子态操控的重要基础。光作用于原子后的相干量子效应可以使原子处于相消或相长干涉的量子叠加态上，并通过光谱的方法来研究其中的量子现象。而通过激光冷却与俘获技术几乎消除了粒子的宏观热运动，则可以制备并影响控制冷原子系综的量子态甚至单个的原子。 本文的工作从新实验室光学平台的安装开始并逐步完善基础建设，完成了光栅外腔反馈半导体激光器的设计制作，并利用不同的稳频方案实现了频率稳定，随后利用自制半导体激光器从实验上研究了铯原子相干光谱以及铯原子在磁光阱及近共振光学晶格中的冷却与俘获。研究室温下气室中铯原子在近共振光场中的电磁感应透明，电磁感应吸收相干光谱，虽然这些方法可以提高光谱的精度，突破多普勒频移的影响，但同原子速度平方有关的二阶多普勒效应并没有改善，而通过激光冷却的方法得到几十μK的原子样品，不仅可以产生高精度光谱，而且极大地改善了原子无规热运动对光与原子相互作用形成的干扰，成为研究量子现象的基础平台。主要内容有以下几部分： 1)分析激光二极管工作原理，结合下一步实验的要求，设计、制作、调试了多台采用Littrow结构的光栅外腔反馈半导体激光器，并使其稳定工作在铯原子D<,2>线频率附近可连续调谐约2GHz。 2)由铯原子饱和吸收光谱和F-P腔作提供频率参考，采用调制或无调制的多种方法对半导体激光器进行了频率锁定。稳频后的频率起伏小于1MHz，可以满足实验的需要。 3)两台半导体激光器分别提供耦合光和探测光，对铯原子D：线的两个循环跃迁6<'2>S<,1/2>F<,g>=3→6<'2>P<,3/2>F<,e>=2和6<,1/2>F<,g>=4→6<'2>P<'3/2>F<,e>=5构成的简并二能级系统分别进行研究，得到了电磁感应透明和电磁感应吸收的相干光谱，研究了耦合光的失谐和强度的变化对光谱的影响，同时基于量子相干基本理论和气室中原子的速度选择机制分析了形成光谱的物理机制。 4)以三能级原子为模型，基于dressed理论，通过探测光的吸收谱和耦合光随探测光扫频而表现的吸收变化研究了铯原子气室中的A-T分裂以及亚多普勒吸收。 5)在利用饱和吸收技术实现了冷却光相对于原子跃迁线的负失谐锁定，并通过双次通过声光调制器的频移技术对负失谐进行自动控制的基础上，采用三束光往返对射的方案构建气室磁光阱系统，实现了对<'133>Cs原子的冷却和俘获。磁光阱可俘获原子约10<'7>个，等效温度约30-50μK。同时改进并完善了Pascal程序控制的时序控制系统，通过外围执行元件包括压控振荡器、声光调制器、射频开关、磁场电流开关对冷却光光场强度、光场失谐、磁场及探测光场等实现自动时序控制。 6)由计算机控制实验中的光场和磁场，构建了吸收法测量原子数以及飞行时间荧光法、短程飞行时间吸收法测量冷原子等效温度的系统。并利用测量到的冷原子基本参数如冷原子云大小、冷原子数、冷原子温度优化磁光阱、偏振梯度冷却及光学晶格装载过程中的光场、磁场参数。 7)在磁光阱冷却与俘获的基础上，实现了的亚多普勒冷却，借助短程飞行时间吸收信号研究了molasses冷却各个参数对冷原子温度的影响。 8)建立了由四束线偏振光构成的3D近共振光学晶格系统，并成功实现了磁光阱冷却的冷原子到光学晶格的装载，在国内率先实现了铯原子的三维近共振光学晶格。铯原子在晶格中的等效温度约10μK，寿命大于70ms。同时以温度的测量为工具对光学晶格中Sisyphus冷却机制进行了实验和理论研究。

目录

文摘

英文文摘

承诺书

第一章引言

1.1光谱学

1.1.1气体原子光谱

1.1.2光谱线宽

1.1.3原子相干光谱

1.1.4二阶多普勒效应

1.2激光冷却与俘获

1.3光学晶格冷却俘获原子

第二章半导体激光器及其频率锁定

2.1半导体激光器简介

2.1.1半导体发光原理

2.1.2半导体激光横模特性

2.1.3温度、电流调谐特性

2.2外腔反馈半导体激光器

2.2.1外腔反馈

2.2.2激光器的设计

2.2.3激光器的安装调试和连续调谐

2.3半导体激光器的频率锁定

2.3.1调制稳频

2.3.2无调制稳频

小结

第三章光与气室原子相互作用

3.1二能级原子同光场作用

3.1.1理想二能级原子同光场作用

3.1.2光学Bloch方程

3.1.3二能级dressed原子

3.2量子相干

3.3铯原子相关原子物理基础

3.3.1铯原子基本物理性质及能级结构

3.3.2铯原子饱和吸收光谱

3.3.3 Zeeman分裂

3.4简并二能级系统原子气室中的相干光谱

3.4.1研究简并二能级原子相干光谱的实验装置

3.4.2简并二能级原子A型Zeeman子能级间的电磁诱导透明

3.4.3简并二能级系统中的电磁感应吸收相干谱

3.5原子相干介质中的亚多普勒光谱

3.5.1三能级亚多普勒光谱

3.5.2耦合光的类亚多普勒谱

小结

第四章 铯原子气室磁光阱及冷原子参数的测量

4.1光对原子的力学效应

4.2多普勒冷却

4.2.1激光冷却原子的阻尼力

4.2.2冷原子的等效温度

4.2.3多普勒冷却极限温度

4.3磁光阱中原子的冷却与俘获

4.3.1磁光阱冷却原理

4.3.2铯原子磁光阱系统

4.4冷原子云尺寸的测量

4.5冷原子温度的测量

4.5.1测量方法简介

4.5.2飞行时间荧光法测量冷原子温度

4.5.3短程飞行时间吸收法测量冷原子温度

4.6冷原子数的测量

4.6.1原子对光场的散射率

4.6.2荧光收集法测量冷原子数

4.6.3吸收法测量冷原子数

4.7磁光阱捕获率的测量

小结

第五章 亚多普勒冷却和三维近共振光学晶格

5.1亚多普勒冷却机制

5.1.1 Zeeman子能级的光频移

5.1.2 σ+-σ-组态导致的运动诱导原子布居冷却机制

5.1.3 lin⊥lin组态偏振梯度冷却

5.2亚多普勒光学粘团(Optical molasses)冷却

5.3近共振光学晶格的装载和俘获

5.3.1 1D光学晶格模型

5.3.2位相不敏感的3D光学晶格结构

5.3.3近共振光学晶格的实验系统

5.3.4近共振光学晶格中的亚多普勒冷却研究

小结

全文总结

参考文献

参加的科研项目

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