三能级原子激光冷却、囚禁与操控的理论研究

摘要

本文利用缀饰原子方法，得到了Λ型三能级原子与激光场相互作用的一般解析解，它包括本征值、本征态和光学势等。对87Rb原子，当光强I＜2.5×106W/m2时，本文得到的一般解析解对任意失谐都成立，它是到目前为止最精确的解析表达式。在小饱和参数近似下，这些一般解析解可简化为一些文献中的近似表达式。我们的研究发现缀饰三能级原子的光学势和偶极力具有一对失谐非共振峰，自发辐射率具有一对失谐共振峰。我们还发现自发辐射率和耗散力在小失谐条件下具有强度饱和效应。利用有效摩擦系数，我们发现偶极梯度力可用于实现三能级原子的蓝失谐激光Sisyphus冷却。 本文提出了一种采用空心金属波导中蓝失谐TE01模实现冷原子(或分子)激光导引的方案。TE0i模是一种环状的空心模式，条件匹配时，其最大耦合效率可以达到96.7％。当输入激光功率为0.5mW,失谐为3GHz时，原子直线导引效率可达到98％。对较小的曲率半径，只要入射激光功率足够大，原子导引效率也可以达到一个很大的值。在TE01模中，导引原子的背景热碰撞损失、自发辐射加热和非绝热跃迁损失都可以忽略不计。本文还讨论了超冷原子在空心金属波导TE01模中的量子运动及相干传输等问题。当入射角θ＜5°时，并且当BEC原子阱的频率ω2偏离TE01模中原子囚禁频率ω1在±0.01ω1范围内时，入射到空心金属波导中的超冷原子能够保持原来BEC的基模特性，BEC中的原子相干性能完全转移到空心金属波导中来，并能实现原子物质波在直空心金属波导中的无损相干传播。 本文提出了一种利用两暗中空光束干涉形成弱驻波场实现原子囚禁、导引和强度梯度冷却的方案。弱驻波场的轴向最大强度梯度大约是消逝波表面阱中最大强度梯度的8倍，因此，利用弱驻波场可以实现比消逝波重力光学表面阱更有效的强度梯度冷却。对于弱驻波场重力光学阱，Monte-Carlo模拟结果表明：重力光学阱中原子的强度梯度冷却对失谐有一个有效的冷却区间1GHz≤δ/2π≤5GHz；原子的最后平衡温度与磁光阱放置的高度无关；对于优化的反射参数η=0.28，激光失谐δ/2π=3GHz，原子样品的最后平衡温度约为0.73μK，原子损耗约为10％。利用弱驻波场也可以实现原子的水平导引和冷却。对具有初始的水平动量150hk的标准磁光阱中的原子，当δ/2π=3.0GHz时，原子最后平衡温度约为4.71μK，2秒内原子水平导引距离可以达到8.86cm。 本文还研究了一个囚禁的Λ型三能级原子的自发辐射问题，并讨论了原子质心运动量子化对自发辐射的影响。原子两个下态的一阶几率谱是由一系列洛仑兹线型峰组成，并且每个洛仑兹线型峰的线宽都由自发辐射率γ决定，一阶几率谱的多峰特性是由原子质心运动量子化产生的。从原子上态自发辐射到两个频率相隔为△(～γ)的下态的过程中，由于受到相同真空模的耦合，自发辐射光子将会产生量子相消干涉，从而使得上态的二阶几率谱中出现了暗线。理论研究发现，原子自发辐射过程中能产生量子干涉效应的条件是自发辐射速率γ和两下态能级差△为同一量级，并且阱的振动频率Ω远大于自发辐射速率γ，即γ～△，γ＜＜Ω。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及授权使用声明

第一章中性原子激光导引、囚禁与冷却的研究及其玻色-爱因斯坦凝聚实验进展

第二章三能级缀饰原子系统的一般解析解

第三章三能级原子的平均耗散力和偶极力—密度矩阵方法

第四章采用空心金属波导中TE01模实现冷原子的激光导引

第五章空心金属波导中超冷原子的量子运动和相干传输

第六章采用蓝失谐空心光束的弱驻波场实现原子的激光冷却、囚禁与导引

第七章被囚禁三能级原子的自发辐射

第八章总结与展望

博士研究生阶段发表和待发表的论文目录

致谢