采用空心金属波导的原子导引及其空心光束的产生

论文摘要

本文简单介绍了中性原子的激光导引和磁导引方案及其实验结果,主要包括采用红失谐、蓝失谐激光场实现的原子导引和采用载流导线、载流导体、永久磁体的磁导引等,还介绍了原子漏斗的基本概念、原理和各种实验方案,最后讨论了原子漏斗在原子光学领域中的潜在应用。本文提出了一种采用空心金属波导（-10微米）中TE01模实现冷原子激光导引的新方案,它结合了蓝失谐空心光束原子导引和空心光纤原子导引两者的优点。我们计算了空心金属波导中各种波导模的场强分布及其光强分布,并针对不同波导尺寸和材料详细讨论了不同模式的传播损耗,提出了抑制其他模式（主要是EH11高斯模式）传播的方法:利用模式匹配的耦合激发和金属波导材料的合理选择,使得高斯模式的传播损耗急剧增大,而同时TE01模式的传播损耗保持很小,甚至可以忽略不计。对于用一阶贝塞尔函数表示的TE01模,我们根据它的电场表达式和模式功率求出了它的解析解,精确地得到了波导中任意传播距离处的绝对光强。文中以85Rb原子为例,计算了不同失谐量下TE01模对原子的光学势,并计算了光学势随失谐量的变化关系,得到了获得最大光学势的最佳失谐量。最后,我们还计算了原子在导引过程中的自发辐射速率。研究发现在一定的条件下,本方案具有高囚禁势、低自发辐射率的特点,不仅可用于冷原子（或冷分子）的弯曲导引,而且可用于实现任意图形的计算机控制的原子光刻,甚至产生连续的冷分子束。根据衍射理论,我们数值计算了TE01模输出光束的近场及远场分布。发现TE01模输出光束是一束发散的环状空心光束（可用于原子漏斗）,而且这一光束能够近似地采用修正的TEM01*模中空光束来描述。特别地,我们在研究近场衍射时发现这种空心光束具有自聚焦的传播特点（可用于原子透镜）。为此,我们计算了暗斑尺寸DSS的变化,在波导半径为20微米时,发现自聚焦的焦斑出现在自由空间传播距离约300微米的位置,DSS从起始的10. 5微米下降到6. 2微米;改变波导的半径,仍然得到类似的结果。最后,我们讨论了TE01模输出光束的两个可能应用:原子漏斗和原子透镜,并计算了与之对应的光学势和各项象差。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 文献综述：中性原子的磁、光导引及其原子漏斗
• 1.1 中性原子的激光导引
• 1.1.1 采用空心光纤中红失谐高斯模式或红失谐高斯光束的原子导引
• 1.1.2 采用空心光纤中蓝失谐消逝波光场的原子导引
• 1.1.3 采用兰失谐空心光束的原子导引
• 1.2 中性原子的磁导引
• 1.2.1 采用单根载流导线的磁导引
• 1.2.2 采用永久磁管的磁导引
• 1.2.3 采用载流螺线管的磁导引
• 1.2.4 采用载流导线的交流磁导引
• 1.2.5 采用载流导体的磁导引
• 1.3 原子漏斗及其应用
• 1.3.1 光学原子漏斗
• 1.3.2 静磁原子漏斗
• 1.3.3 磁光原子漏斗
• 1.3.4 原子漏斗的潜在应用
• 参考文献
• 01 模实现原子导引的理论分析'>第二章 采用空心金属波导中TE₀₁模实现原子导引的理论分析
• 2.1 引言
• 01 模实现原子导引的方案'>2.2 采用空心金属波导中TE₀₁模实现原子导引的方案
• 2.3 空心金属波导中相关模式的场分布与光强分布
• 2.3.1 空心波导中相关模式的场分布
• 2.3.2 空心波导中相关模式的直线传输损耗
• 2.3.3 空心波导中相关模式的弯曲传输损耗
• 01 模式的绝对光强分布'>2.4 空心金属波导中TE₀₁模式的绝对光强分布
• 01 模原子导引的可行性分析'>2.5 关于空心金属波导中TE₀₁模原子导引的可行性分析
• 01 模对导引原子的光学势'>2.5.1 TE₀₁模对导引原子的光学势
• 2.5.2 导引原子的自发辐射
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 01 模输出空心光束的理论分析及其应用研究'>第三章 TE₀₁模输出空心光束的理论分析及其应用研究
• 3.1 引言
• 01 模输出光束的近场分布'>3.2 TE₀₁模输出光束的近场分布
• 01 模输出光束的远场分布'>3.3 TE₀₁模输出光束的远场分布
• 01 模输出光束的潜在应用'>3.4 TE₀₁模输出光束的潜在应用
• 01 模输出光束的理论模型'>3.4.1 TE₀₁模输出光束的理论模型
• 01 模输出光束的原子漏斗'>3.4.2 采用TE₀₁模输出光束的原子漏斗
• 01 模输出光束的原子透镜'>3.4.3 采用TE₀₁模输出光束的原子透镜
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 总结与展望
• 附录：硕士阶段发表与待发表的论文目录
• 致谢