光学晶格中原子的冷却及原子能态的光频移研究

摘要

光场与原子相互作用是控制原子运动状态的有效途径。光学晶格因其可以提供单个或多个量子实体的控制，并能很好的同周围的环境隔离，减小量子系统的退相干和量子态的破坏，从而成为实现量子操控的重要手段。冷原子光学晶格目前已成为冷原子操控中的一个重要课题，特别是近年来随着量子信息处理领域的发展，冷原子光学晶格在量子纠缠、量子计算、量子寄存等方面的前景受到了极大的关注。
　　根据形成光学晶格周期势场的激光与原子跃迁线间失谐量的大小，可将光学晶格分为近共振光学晶格和大失谐光学晶格。近共振光学晶格中原子对光场的散射率与大失谐情形相比仍较高（但与共振情形相比散射率则很低），存在着Sisyphus冷却机制，可使冷原子的温度显著降低。其中光强不存在空间梯度，但左旋圆偏振到线偏振再到右旋圆偏振的偏振周期导致原子基态的Zeeman态的光频移势起到约束作用。而在大失谐光学晶格中原子对光场的散射率极低，不存在冷却机制，主要是光强的空间梯度导致的偶极势起约束作用。
　　本文的工作是在磁光阱系统的基础上，搭建了四光束三维光学晶格的光路，利用短程飞行时间吸收方法（TOF法）测量了光学品格中铯原子的温度、寿命等一些重要参数并分析了温度的参数依赖关系;然后我们从理论上分析和计算了远失谐光学晶格和单聚焦光束偶极阱中光场使原子产生的光频移。本文主要内容分为两部分:
　　1、对近共振三维光学晶格中铯原子的装载与冷却进行了研究:描述了三维光学晶格势场的建立，在铯原子磁光阱和光学粘团的基础上实现了红失谐光学晶格中铯原子的装载;进一步通过改变光学晶格的光强和频率失谐等条件，对光学晶格中铯原子的亚多普勒冷却的参数依赖关系以及光学晶格中铯原子的寿命作了实验研究。
　　2、对大失谐光学晶格和单聚焦光束偶极阱中铯原子D2线各能级的光频移进行了计算:考虑多能级原子模型下（多个上能态存在）、大失谐光学晶格和单聚焦光束偶极阱中，铯原子D2线6P3/2态和6S1/2态的光频移，并与二能级模型的结果作了比较。给出了多能级原子模型下在功率固定、腰斑变化时以及在腰斑固定、功率变化时，各个能态的光频移变化的规律。并且给出了铯原子D2线和铷原子D2线在偶极光场波长变化时，各个能态的光频移量随波长而变化的全谱。最后计算了在偶极阱中进一步通过Optical Molasses过程降低冷原子温度时，冷却光实际的失谐量，希望对实验能有所参考。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 光学晶格简介

1．2 光学晶格的产生方案

1．2．1 驻波产生的远失谐光学晶格

1．2．2 偏振垂直的近共振光学晶格

1．2．3 Talbot光学晶格

1．3 光学晶格中的冷却机制

1．3．1 Sisyphus冷却

1．3．2 绝热冷却

1．3．3 Raman边带冷却

1．4 光学晶格的意义

第二章 近共振光学晶格的理论与实验

2．1 光学晶格中的Sisyphus(西西弗斯)冷却

2．2 实验装置

2．2．1 四光束三维光学晶格方案

2．2．2 光路系统

2．2．3 实验过程及时序

2．2．4 温度探测的方法

2．3 实验结果及分析

2．4 本章小结

第三章 远失谐光学晶格及单聚焦光束偶极阱中原子光频移的计算

3．1 二能级原子模型和多能级原子模型的比较

3．2 计算结果及分析

3．2．1 聚焦高斯光束

3．2．2 上能态的存在对光频移量的修正

3．2．3 偶极阱里Optical Molasses实际的失谐量

3．2．4 铯原子和铷原子D2线的光频移

3．3 本章小结

第四章 总结

参考文献

附录

硕士研究生期间完成的论文

致谢

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