多能級冷原子系統(tǒng)中EIT增強非線性效應的研究報告

1、.多能級冷原子系統(tǒng)中EIT增強非線性效應的研究【摘要】：光與原子的相干作用是物理學中一個重要的研究內容,利用相干光場和多能級原子作用過程中的量子干涉效應,能夠產生很多有意義的物理現(xiàn)象。其中,電磁感應透明(EIT)效應受到人們的普遍關注,由于EIT介質具有吸收降低,色散變化劇烈等特點,在理論和實驗上得到了人們廣泛的研究。在熱原子蒸汽中進行原子物理的實驗研究。原子熱運動導致的多普勒效應以及原子之間相互碰撞導致的退相干效應給實驗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的發(fā)展,冷原子介質作為研究對象已經成為原子物理和量子光學關注的焦點。本文主要介紹我們實驗上建立的一套俘獲(87)Rb冷原子

2、的磁光阱裝置,利用EIT效應在俘獲得到的冷原子介質中觀察到了多暗態(tài)現(xiàn)象,進行了冷原子中磁精細能級的制備和測量,研究了暗態(tài)之間的相互作用和觸發(fā)光對探針光增強的非線性效應,并對該磁光阱系統(tǒng)進行改造,實現(xiàn)了光脈沖在冷原子介質中的存儲和釋放。本文完成的工作主要包括以下內容:1)簡單介紹了激光冷卻與俘獲中性原子的原理,詳細介紹了一套用于冷卻與俘獲(87)Rb原子的磁光阱裝置。實驗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。結果表明:俘獲的冷原子數(shù)目大約為109個,密度大約為10(11)個/cm3,冷卻溫度約為200K,該冷原子云能夠作為很好的EIT介質,用于我們進行原子相干的實驗研究。2)觀察冷原子介質中的多暗態(tài)現(xiàn)象,進行磁精細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成兩個寬度不同的EIT系統(tǒng)和一個吸收系統(tǒng),并且觀察到探針光的多個透明窗口。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行非破壞性的測量。這樣的技術可以用于在冷原子中進行的量子信息和量子光學的實驗之中。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制。在冷原子介質中,利用態(tài)制備技術將約為95%以上的原子制備在基態(tài)的一個Zeeman子能級上,選擇合適偏振方向的探針光,耦合光和觸發(fā)光構成一個理想的四能級Tripod結構。在耦合光和觸發(fā)光的頻率均為共振的條件下,兩個暗態(tài)之間相互作用,同時伴隨著增強的非線性效應,并利用M-Z干涉儀測量了探針光的相位變化。調節(jié)觸發(fā)光的光強,可以實現(xiàn)對探針光場的交叉非線性相位調制,得到的交叉Kerr非線性系數(shù)最大為7.2×

5、;10(-5)cm2/W,產生的非線性相移為1×10(-2)rad,該結果朝實現(xiàn)量子相位門的目標邁進了一步。4)高光學厚度的磁光阱系統(tǒng)。由于原有磁光阱裝置俘獲冷原子介質的光學厚度較低,不能滿足實驗的進一步要求,我們通過將冷卻光的光斑直徑擴大到22mm,采用錐形功率放大器(TPA)系統(tǒng)將冷卻光的功率進行放大,獲得高光學厚度的冷原子介質,通過收集熒光法和短程飛行時間法測量,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厚度為11。為了進一步的提高冷原子介

6、質的光學厚度,將四級磁場的梯度由8G/cm逐步提高到20G/cm,對磁光阱進行了壓縮,測量得到冷原子云光學厚度為16,溫度約為300K。5)在高光學厚度的冷原子云中,將一臺半導體激光器產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中的存儲和釋放信號,并研究了釋放信號的強度隨參量變化的依賴關系。其中創(chuàng)新性的工作包括:.利用原子中不同Zeeman子能級間躍遷強度的不同,在冷原子介質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磁精細能級上,提出并演示了

7、一種測量原子磁精細能級布居分布的全光學方法。.利用態(tài)制備的技術,在冷原子介質中,將95%以上的原子制備在一個特定的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,構成一個理想的四能級Tripod結構。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制。.通過擴大冷卻光的光斑直徑,采用錐形功率放大(TPA)系統(tǒng)將冷卻光的功率進行放大,獲得了高光學厚度(OD=11)的冷原子介質,并測量了俘獲的冷原子數(shù)目和光學厚度隨冷卻光功率變化的依賴關系。四級磁場的梯度由8G/cm逐步提高到20G/cm,進一步壓縮磁光阱后,可以將光學厚度進一步提高到1

8、6?！娟P鍵詞】：電磁感應透明磁光阱多暗態(tài)Tripod系統(tǒng)交叉相位調制光學厚度【學位授予單位】：XX大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：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電磁感應透明效應簡介16-191.2電磁感應透明效應的應用19-241.2.1光脈沖減速和存儲19-221.2.2EIT增強的非線性光學效應22-241.2.3EIT效應的其它應用241.3本文的主要內容24-25第二章冷原子EIT介質的基本參數(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光學粘團28-302.2.3磁光阱30-322.3俘獲冷原子的實驗裝置32-352.4冷原子數(shù)目和密度的測定原理和結果35-372.5冷原子溫度測量原理和結果37-392.6時序控制392.7小結39-40第三章冷原子介質中多暗態(tài)現(xiàn)象的觀察和磁精細能級的制備與測量40-593.1背景介紹40-443.1.1多暗態(tài)現(xiàn)象40-413.1.2磁精細能級的制備和測量41-443.2冷原子介質中的多暗態(tài)信號44-513.2.1多暗態(tài)信號的實驗觀測44-473.2.2冷原子介質中多暗態(tài)信號的理論解釋47-513.3冷原子介質中磁精細能級的制備和測量51-583.3.1實

10、驗觀察51-553.3.2多暗態(tài)信號的理論擬合55-573.3.3任意磁精細能級的制備和測量57-583.4小結58-59第四章理想四能級Tripod結構中增強非線性效應的研究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非線性效應的測量66-734.4.1Mach-Zehnde干涉儀66-704.4.2交叉Kerr非線性效應的觀察70-734.5小結73-75第五章高光學厚度磁光阱系統(tǒng)75-945.1獲得高光學厚度冷原子介質的意義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時序控制90-935.4小結93-94第六章冷原子介質(87)Rb)中光存儲的初步觀察94-1086.1利用EIT效應進行光存儲的原理95-98