多能級冷原子系統(tǒng)中EIT增強(qiáng)非線性效應(yīng)的研究報(bào)告

1、.多能級冷原子系統(tǒng)中EIT增強(qiáng)非線性效應(yīng)的研究【摘要】：光與原子的相干作用是物理學(xué)中一個(gè)重要的研究內(nèi)容,利用相干光場和多能級原子作用過程中的量子干涉效應(yīng),能夠產(chǎn)生很多有意義的物理現(xiàn)象。其中,電磁感應(yīng)透明(EIT)效應(yīng)受到人們的普遍關(guān)注,由于EIT介質(zhì)具有吸收降低,色散變化劇烈等特點(diǎn),在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了人們廣泛的研究。在熱原子蒸汽中進(jìn)行原子物理的實(shí)驗(yàn)研究。原子熱運(yùn)動導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)以及原子之間相互碰撞導(dǎo)致的退相干效應(yīng)給實(shí)驗(yàn)帶來了許多不利的影響。隨著激光冷卻與俘獲中性原子技術(shù)的發(fā)展,冷原子介質(zhì)作為研究對象已經(jīng)成為原子物理和量子光學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要介紹我們實(shí)驗(yàn)上建立的一套俘獲(87)Rb冷原子

2、的磁光阱裝置,利用EIT效應(yīng)在俘獲得到的冷原子介質(zhì)中觀察到了多暗態(tài)現(xiàn)象,進(jìn)行了冷原子中磁精細(xì)能級的制備和測量,研究了暗態(tài)之間的相互作用和觸發(fā)光對探針光增強(qiáng)的非線性效應(yīng),并對該磁光阱系統(tǒng)進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)了光脈沖在冷原子介質(zhì)中的存儲和釋放。本文完成的工作主要包括以下內(nèi)容:1)簡單介紹了激光冷卻與俘獲中性原子的原理,詳細(xì)介紹了一套用于冷卻與俘獲(87)Rb原子的磁光阱裝置。實(shí)驗(yàn)采取收集熒光的方法測得了俘獲的冷原子數(shù)目,并根據(jù)冷原子云尺寸推算出了冷原子云的密度。通過在冷原子團(tuán)下方4mm,7mm,10mm三處入射圓柱形探測光束,在原子自由下落過程中獲得短程飛行時(shí)間(TimeofFlight,TOF)吸收信

3、號,通過數(shù)值擬合得到冷原子云的溫度。結(jié)果表明:俘獲的冷原子數(shù)目大約為109個(gè),密度大約為10(11)個(gè)/cm3,冷卻溫度約為200K,該冷原子云能夠作為很好的EIT介質(zhì),用于我們進(jìn)行原子相干的實(shí)驗(yàn)研究。2)觀察冷原子介質(zhì)中的多暗態(tài)現(xiàn)象,進(jìn)行磁精細(xì)能級的制備和原子基態(tài)布居分布的測量。在多Zeeman子能級的冷原子系統(tǒng)中,由于不同Zeeman子能級之間的躍遷強(qiáng)度不同和選擇定則的限制,僅僅采用一束耦合光和一束探針光就可以構(gòu)成兩個(gè)寬度不同的EIT系統(tǒng)和一個(gè)吸收系統(tǒng),并且觀察到探針光的多個(gè)透明窗口。在原子系統(tǒng)中通過對泵浦光選擇合適的偏振方向和入射方向,可以將原子高純度的制備在原子基態(tài)的任意Zeeman子

4、能級上。通過入射一束圓偏振的探針光,對原子的布居分布進(jìn)行非破壞性的測量。這樣的技術(shù)可以用于在冷原子中進(jìn)行的量子信息和量子光學(xué)的實(shí)驗(yàn)之中。3)暗態(tài)間的相互作用和兩束光場之間的非線性交叉相位調(diào)制。在冷原子介質(zhì)中,利用態(tài)制備技術(shù)將約為95%以上的原子制備在基態(tài)的一個(gè)Zeeman子能級上,選擇合適偏振方向的探針光,耦合光和觸發(fā)光構(gòu)成一個(gè)理想的四能級Tripod結(jié)構(gòu)。在耦合光和觸發(fā)光的頻率均為共振的條件下,兩個(gè)暗態(tài)之間相互作用,同時(shí)伴隨著增強(qiáng)的非線性效應(yīng),并利用M-Z干涉儀測量了探針光的相位變化。調(diào)節(jié)觸發(fā)光的光強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)對探針光場的交叉非線性相位調(diào)制,得到的交叉Kerr非線性系數(shù)最大為7.2×

5、;10(-5)cm2/W,產(chǎn)生的非線性相移為1×10(-2)rad,該結(jié)果朝實(shí)現(xiàn)量子相位門的目標(biāo)邁進(jìn)了一步。4)高光學(xué)厚度的磁光阱系統(tǒng)。由于原有磁光阱裝置俘獲冷原子介質(zhì)的光學(xué)厚度較低,不能滿足實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步要求,我們通過將冷卻光的光斑直徑擴(kuò)大到22mm,采用錐形功率放大器(TPA)系統(tǒng)將冷卻光的功率進(jìn)行放大,獲得高光學(xué)厚度的冷原子介質(zhì),通過收集熒光法和短程飛行時(shí)間法測量,得到冷原子云的尺寸為8×8×6mm3,冷原子數(shù)目約為2.6×10(10),溫度約為250K,數(shù)學(xué)擬合探針光穿過冷原子云的透射信號,得到俘獲冷原子云的光學(xué)厚度為11。為了進(jìn)一步的提高冷原子介

6、質(zhì)的光學(xué)厚度,將四級磁場的梯度由8G/cm逐步提高到20G/cm,對磁光阱進(jìn)行了壓縮,測量得到冷原子云光學(xué)厚度為16,溫度約為300K。5)在高光學(xué)厚度的冷原子云中,將一臺半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光分為探針光和耦合光,并采用往返兩次穿過的聲光頻移系統(tǒng)將探針光的頻率偏移6.8GHz,觀察到探針光脈沖在冷原子介質(zhì)中的存儲和釋放信號,并研究了釋放信號的強(qiáng)度隨參量變化的依賴關(guān)系。其中創(chuàng)新性的工作包括:.利用原子中不同Zeeman子能級間躍遷強(qiáng)度的不同,在冷原子介質(zhì)中觀察到了熱原子中觀察不到的多暗態(tài)現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上,通過選擇不同偏振組合的耦合光和泵浦光,將原子高純度的制備在任意一個(gè)磁精細(xì)能級上,提出并演示了

7、一種測量原子磁精細(xì)能級布居分布的全光學(xué)方法。.利用態(tài)制備的技術(shù),在冷原子介質(zhì)中,將95%以上的原子制備在一個(gè)特定的Zeeman子能級上,選擇合適偏振組合的探針光,耦合光和觸發(fā)光,構(gòu)成一個(gè)理想的四能級Tripod結(jié)構(gòu)。在觸發(fā)光和耦合光均為共振的條件下,研究暗態(tài)之間的相互作用,測量觸發(fā)光對探針光的非線性交叉相位調(diào)制。.通過擴(kuò)大冷卻光的光斑直徑,采用錐形功率放大(TPA)系統(tǒng)將冷卻光的功率進(jìn)行放大,獲得了高光學(xué)厚度(OD=11)的冷原子介質(zhì),并測量了俘獲的冷原子數(shù)目和光學(xué)厚度隨冷卻光功率變化的依賴關(guān)系。四級磁場的梯度由8G/cm逐步提高到20G/cm,進(jìn)一步壓縮磁光阱后,可以將光學(xué)厚度進(jìn)一步提高到1

8、6?！娟P(guān)鍵詞】：電磁感應(yīng)透明磁光阱多暗態(tài)Tripod系統(tǒng)交叉相位調(diào)制光學(xué)厚度【學(xué)位授予單位】：XX大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2009【分類號】：O431.2【目錄】：目錄4-10摘要10-13ABSTRACT13-16第一章引言16-251.1電磁感應(yīng)透明效應(yīng)簡介16-191.2電磁感應(yīng)透明效應(yīng)的應(yīng)用19-241.2.1光脈沖減速和存儲19-221.2.2EIT增強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)22-241.2.3EIT效應(yīng)的其它應(yīng)用241.3本文的主要內(nèi)容24-25第二章冷原子EIT介質(zhì)的基本參數(shù)的測量25-402.1背景介紹25-262.2光場對中性原子的作用力26-322.2.1光子與原

9、子作用的物理圖像26-282.2.2光學(xué)粘團(tuán)28-302.2.3磁光阱30-322.3俘獲冷原子的實(shí)驗(yàn)裝置32-352.4冷原子數(shù)目和密度的測定原理和結(jié)果35-372.5冷原子溫度測量原理和結(jié)果37-392.6時(shí)序控制392.7小結(jié)39-40第三章冷原子介質(zhì)中多暗態(tài)現(xiàn)象的觀察和磁精細(xì)能級的制備與測量40-593.1背景介紹40-443.1.1多暗態(tài)現(xiàn)象40-413.1.2磁精細(xì)能級的制備和測量41-443.2冷原子介質(zhì)中的多暗態(tài)信號44-513.2.1多暗態(tài)信號的實(shí)驗(yàn)觀測44-473.2.2冷原子介質(zhì)中多暗態(tài)信號的理論解釋47-513.3冷原子介質(zhì)中磁精細(xì)能級的制備和測量51-583.3.1實(shí)

10、驗(yàn)觀察51-553.3.2多暗態(tài)信號的理論擬合55-573.3.3任意磁精細(xì)能級的制備和測量57-583.4小結(jié)58-59第四章理想四能級Tripod結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)非線性效應(yīng)的研究59-754.1背景介紹59-614.2能級描述61-634.3暗態(tài)間的相互作用63-664.4交叉Kerr非線性效應(yīng)的測量66-734.4.1Mach-Zehnde干涉儀66-704.4.2交叉Kerr非線性效應(yīng)的觀察70-734.5小結(jié)73-75第五章高光學(xué)厚度磁光阱系統(tǒng)75-945.1獲得高光學(xué)厚度冷原子介質(zhì)的意義75-765.2磁光阱中原子密度的限制因素76-805.2.1暗磁光阱(darkMOT)77-785.2.2雪茄型磁光阱78-795.2.3磁光阱-大光斑俘獲79-805.3高光學(xué)厚度磁光阱80-935.3.1激光錐形功率放大器(TPA)80-825.3.2理論分析82-835.3.3高光學(xué)厚度冷原子云(87)Rb)的獲得83-855.3.4原子數(shù)目的測量855.3.5冷原子云光學(xué)厚度的測量85-885.3.6冷原子云溫度的測量88-895.3.7壓縮磁光阱89-905.3.8時(shí)序控制90-935.4小結(jié)93-94第六章冷原子介質(zhì)(87)Rb)中光存儲的初步觀察94-1086.1利用EIT效應(yīng)進(jìn)行光存儲的原理95-98