三能级原子激光冷却、囚禁与操控的理论研究

论文摘要

在过去的二十年中，中性原子的激光冷却、囚禁与操控的理论与实验研究得到了快速的发展。本文首先综述了中性原子的激光导引、囚禁与冷却研究的发展概况及其玻色—爱因斯坦凝聚实验的进展；其次，就“三能级原子的激光冷却、囚禁与操控”进行了深入系统的理论研究；最后，就本文的研究工作进行了总结，并就本课题的未来研究进行了展望。 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。 本文利用基于原子密度矩阵的光学布拉赫方程得到了Λ型三能级原子在单频率光场中所受平均耗散力和偶极力的一般解析表达式。我们发现三能级原子的平均耗散力具有频率共振特性（有两个共振峰），而三能级原子的平均偶极力具有频率非共振特性（有两个非共振峰）。在大失谐近似下，平均耗散力和偶极力的表达式都可以简化为由二能级原子得到的表达式。两相对传输的高阶贝塞耳光束可以分别在轴向和弧向形成一维光学粘胶，从而实现原子在轴向和弧向的多普勒冷却。弧向多普勒冷却可看作是轴向多普勒冷却的一个补充，并且轨道角动量量子数越大或原子运动的平均径向距离越小，弧向多普勒冷却效果越明显。 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。TE01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3 GHz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

论文目录

• 论文摘要
• 英文摘要
• 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
• 1.1 引言
• 1.2 中性原子的激光导引
• 1.3 中性原子的激光囚禁
• 1.4 原子激光冷却及最新进展
• 1.5 玻色—爱因斯坦凝聚（BEC）的实验研究及其最新进展
• 参考文献
• 第二章 三能级缀饰原子系统的一般解析解
• 2.1 引言
• 2.2 三能级缀饰原子系统的一般解析解：本征值、光学势与本值态
• 2.3 三能级缀饰原子的自发辐射率、辐射压力和动量扩散张量
• 2.4 三能级缀饰原子偶极力和动量扩散系数
• 85Rb原子在暗空心光束（DHB）中的运动'>2.5 三能级缀饰⁸⁵Rb原子在暗空心光束（DHB）中的运动
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 三能级原子的平均耗散力和偶极力—密度矩阵方法
• 3.1 引言
• 3.2 三能级原子的平均耗散力和偶极力
• 3.3 在高阶贝塞耳光束中平均耗散力和偶极力的一般特性
• 3.4 轨道角动量对多普勒冷却极限的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 01模实现冷原子的激光导引'>第四章 采用空心金属波导中TE₀₁模实现冷原子的激光导引
• 4.1 引言
• 01模实现原子导引的方案'>4.2 采用空心金属波导中TE₀₁模实现原子导引的方案
• 4.3 空心金属波导中相关模式的场分布与光强分布
• 4.4 空心金属波导的模式耦合效率和传输损失
• 01模中原子的光学囚禁势和自发辐射速率'>4.5 TE₀₁模中原子的光学囚禁势和自发辐射速率
• 4.6 空心金属波导中冷原子直线和弯曲导引的效率
• 4.7 空心金属波导中原子导引的潜在应用
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 空心金属波导中超冷原子的量子运动和相干传输
• 5.1 引言
• 5.2 采用空心金属波导实现超冷原子导引的方案
• 5.3 超冷原子在空心金属波导中的量子运动
• 5.4 超冷原子物质波在空心金属波导中的相干传输
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 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
• 6.1 引言
• 6.2 原子囚禁方案及弱驻波场强度与强度梯度分布
• 6.3 原子在弱驻波场中的光学势和瞬时偶极力
• 6.4 原子的强度梯度冷却和Monte-Carlo模拟
• 6.5 弱驻波空心光束中的原子导引
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 被囚禁三能级原子的自发辐射
• 7.1 引言
• 7.2 系统动力学方程的求解
• 7.3 一阶几率和几率谱的特性
• 7.4 二阶几率和几率谱的特性
• 7.5 本章小结
• 附录
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 本文的创新之处和今后工作的展望
• 附录：博士研究生阶段发表与待发表的论文目录
• 致谢