三能級原子激光冷卻、囚禁與操控的理論研究

1、三能級原子激光冷卻、囚禁與操控的理論研究【摘要】：在過去的二十年中，中性原子的激光冷卻、囚禁與操控的 理論與實(shí)驗(yàn)研究得到了快速的發(fā)展。本文首先綜述了中性原子的激光 導(dǎo)引、囚禁與冷卻研究的發(fā)展概況及其玻色 一愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)的進(jìn) 展；其次，就 三能級原子的激光冷卻、囚禁與操控”進(jìn)行了深入系統(tǒng) 的理論研究；最后， 就本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)， 并就本課題的未 來研究進(jìn)行了展望。本文利用綴飾原子方法，得到了A型三能級原子與激光場相互作用的一般解析解，它包括本征值、本征態(tài)和光學(xué)勢 等。對（87）Rb 原子，當(dāng)光強(qiáng) IV2.5X06W/m2 時，本文得到的一 般解析解對任意失諧都成立，它是到目前為止最精

2、確的解析表達(dá)式。 在小飽和參數(shù)近似下，這些一般解析解可簡化為一些文獻(xiàn)中的近似表 達(dá)式。我們的研究發(fā)現(xiàn)綴飾三能級原子的光學(xué)勢和偶極力具有一對失 諧非共振峰，自發(fā)輻射率具有一對失諧共振峰。我們還發(fā)現(xiàn)自發(fā)輻射 率和耗散力在小失諧條件下具有強(qiáng)度飽和效應(yīng)。利用有效摩擦系數(shù)， 我們發(fā)現(xiàn)偶極梯度力可用于實(shí)現(xiàn)三能級原子的藍(lán)失諧激光Sisyphus冷卻。本文利用基于原子密度矩陣的光學(xué)布拉赫方程得到了A型三能級原子在單頻率光場中所受平均耗散力和偶極力的一般解析表達(dá) 式。我們發(fā)現(xiàn)三能級原子的平均耗散力具有頻率共振特性（有兩個共振峰），而三能級原子的平均偶極力具有頻率非共振特性（有兩個非共 振峰）。在大失諧近似下，平

3、均耗散力和偶極力的表達(dá)式都可以簡化 為由二能級原子得到的表達(dá)式。兩相對傳輸?shù)母唠A貝塞耳光束可以分別在軸向和弧向形成一維光學(xué)粘膠，從而實(shí)現(xiàn)原子在軸向和弧向的多 普勒冷卻。弧向多普勒冷卻可看作是軸向多普勒冷卻的一個補(bǔ)充，并且軌道角動量量子數(shù)越大或原子運(yùn)動的平均徑向距離越小，弧向多普勒冷卻效果越明顯。本文提出了一種采用空心金屬波導(dǎo)中藍(lán)失諧 TE_(01)模實(shí)現(xiàn)冷原子(或分子)激光導(dǎo)引的方案。TE_(01)模是一種環(huán) 狀的空心模式，條件匹配時，其最大耦合效率可以達(dá)到96.7%。當(dāng)輸入激光功率為 0.5mW，失諧為 3GHz 時，原子直線導(dǎo)引效率可達(dá)到 98%。對較小的曲率半徑，只要入射激光功率足夠大，

4、原子導(dǎo)引效率 也可以達(dá)到一個很大的值。在 TE_(01)模中，導(dǎo)引原子的背景熱碰撞 損失、自發(fā)輻射加熱和非絕熱躍遷損失都可以忽略不計(jì)。本文還討論 了超冷原子在空心金屬波導(dǎo) TE_(01)模中的量子運(yùn)動及相干傳輸?shù)葐?題。當(dāng)入射角95寸，并且當(dāng) BEC 原子【關(guān)鍵詞】：三能級原子綴 飾原子法密度矩陣法光學(xué)布拉赫方程空心金屬波導(dǎo)TE_(01)模量子運(yùn)動相干傳輸弱駐波場原子囚禁原子導(dǎo)引強(qiáng)度梯度冷卻自發(fā)輻射量子 干涉【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2006【分類號】：0431.2yiT論女第表站贏【目錄】：論文摘要 5-7 英文摘要 7-12 第一章中性原子激光導(dǎo)引、

5、囚 禁與冷卻的研究及其玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)進(jìn)展12-431.1 引言12-131.2 中性原子的激光導(dǎo)引 13-181.3 中性原子的激光囚禁 18-211.4 原子激光冷卻及最新進(jìn)展 21-291.5 玻色一愛因斯坦凝聚(BEC)的實(shí)驗(yàn) 研究及其最新進(jìn)展 29-39 參考文獻(xiàn) 39-43 第二章三能級綴飾原子系統(tǒng) 的一般解析解 43-762.1 引言 432.2 三能級綴飾原子系統(tǒng)的一般解析 解：本征值、光學(xué)勢與本值態(tài) 43-552.3 三能級綴飾原子的自發(fā)輻射率、 輻射壓力和動量擴(kuò)散張量55-632.4 三能級綴飾原子偶極力和動量擴(kuò)散系數(shù) 63-682.5 三能級綴飾(85)Rb 原子在

6、暗空心光束(DHB)中的運(yùn) 動68-732.6本章小結(jié) 73-74參考文獻(xiàn) 74-76第三章三能級原子的平均 耗散力和偶極力一密度矩陣方法 76-943.1 引言 76-773.2 三能級原子 的平均耗散力和偶極力 77-813.3 在高階貝塞耳光束中平均耗散力和 偶極力的一般特性81-903.4 軌道角動量對多普勒冷卻極限的影響90-923.5 本章小結(jié) 92-93 參考文獻(xiàn) 93-94 第四章采用空心金屬波導(dǎo)中TE_(01)模實(shí)現(xiàn)冷原子的激光導(dǎo)引 94-1164.1 引言 94-954.2 采用空心金 屬波導(dǎo)中TE_(01)模實(shí)現(xiàn)原子導(dǎo)引的方案95-964.3空心金屬波導(dǎo)中相 關(guān)模式的場分

7、布與光強(qiáng)分布96-994.4 空心金屬波導(dǎo)的模式耦合效率和傳輸損失 99-1044.5TE_(01 濮中原子的光學(xué)囚禁勢和自發(fā)輻射速率104-1064.6 空心金屬波導(dǎo)中冷原子直線和彎曲導(dǎo)引的效率106-1114.7空心金屬波導(dǎo)中原子導(dǎo)引的潛在應(yīng)用111-1134.8 本章小結(jié) 113-114 參考文獻(xiàn) 114-116 第五章空心金屬波導(dǎo)中超冷原子的量子運(yùn)動和相干傳 輸116-1325.1 引言 116-1175.2 采用空心金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超冷原子導(dǎo)引的方案 117-1185.3 超冷原子在空心金屬波導(dǎo)中的量子運(yùn)動118-1265.4超冷原子物質(zhì)波在空心金屬波導(dǎo)中的相干傳輸126-1285.5

8、本章小結(jié)128-130 參考文獻(xiàn) 130-132 第六章采用藍(lán)失諧空心光束的弱駐波場實(shí) 現(xiàn)原子的激光冷卻、囚禁與導(dǎo)引132-1506.1 引言 1326.2 原子囚禁方案及弱駐波場強(qiáng)度與強(qiáng)度梯度分布132-1376.3 原子在弱駐波場中的光學(xué)勢和瞬時偶極力 137-1396.4 原子的強(qiáng)度梯度冷卻和 Mon te-Carlo 模擬 139-1456.5 弱駐波空心光束中的原子導(dǎo)引145-1476.6 本章小結(jié)147-149 參考文獻(xiàn) 149-150 第七章被囚禁三能級原子的自發(fā)輻射150-1667.1 引言 1507.2 系統(tǒng)動力學(xué)方程的求解 150-1567.3 一階幾率 和幾率譜的特性 156-1587.4 二階幾率和幾率譜的特性 158-1627.5 本 章小結(jié)162-16