新颖光晶格与冷原子量子调控光谱的理论研究

论文摘要

自从光学晶格问世以来,在过去的二十年中取得了快速的发展,并被广泛应用于研究中性原子的冷却与囚禁、量子简并气体动力学、量子计算与信息处理、以及凝聚态物理基本现象等。本文以新颖光学晶格的产生为研究中心,并理论探讨了基于光晶格的量子调控光谱特性。本文首先提出了一种利用平面波或高斯光束照明振幅型线形余弦光栅与单透镜所构成的简单光学系统,在径向上产生光学多势阱的新颖方案。通过改变余弦光栅花样的调制频率容易实现多光阱到单光阱的动态控制与演化。此外,我们还讨论了如何利用两个方向上正交或非正交调制的余弦光栅以及多束非相干光照明,来得到各种构型的二维光学晶格。结果表明：在该方案基本上能够实现所有对称性的二维布拉维晶格。其次,本文提出了一种利用环形余弦光栅在光轴方向上产生光学偶极三阱的新方案。用功率为1mW的YAG激光照射该系统,能够得到平均间距约37μm的三个光学势阱,其平均深度约0.5μK,平均体积约74μm3,能够适用于囚禁、操控原子波色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。余弦光栅采用空间光调制器件进行实时显示,通过调节相邻光阱间势垒的高度,实现从三阱到单阱的演化。在此方案基础上,利用平均场近似,对BEC装载、分离以及干涉过程进行了数值模拟。此外,还探讨了利用三个具有高斯型包络的余弦函数对干涉花样进行拟合,从中提取相对相位的方法。接着,本文结合环型与线型调制的余弦光栅,进一步研究了在焦点附近得到2x2x3构型的三维微光阱列阵的方案,并就冷原子的装载过程进行了蒙特卡洛模拟。结果表明：利用动态装载过程可以有效地提高装载效率；通过改变光栅参数t0和冷原子初始温度T0,可以在较大的范围内调节三层原子的装载比例和装载效率。该方案在制备可寻址的三维光学晶格以及量子计算中有着广泛的应用前景。最后,本文研究了在量子相干条件下,一维CO2光学晶格中冷原子的光谱特性,提出了一种新颖、可操控的光子带隙结构。结果表明：在85Rb原子共振频率附近存在一个显著的光子禁带。通过对晶格中冷原子反射、透射光谱的分析,得到了光谱参数与冷原子温度、格点平均原子数和晶格大小的关系。此外,利用聚焦的共振光束可以向晶格中引入缺陷,并就单个或两个中心对称缺陷对光谱的影响进行了理论计算。在此基础上,我们进一步探索了一种利用光谱对光学晶格中冷原子进行直接原位探测以及对缺陷进行寻址的方法。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 中性原子光学晶格的研究及其最新进展
• 1.1 引言
• 1.2 驻波光学晶格
• 1.3 光阱列阵—新颖光学晶格
• 1.4 光学晶格的应用及研究进展
• 参考文献
• 第二章 线型调制余弦光栅产生径向多光阱囚禁及二维光学晶格
• 2.1 引言
• 2.2 可控多光阱方案
• 2.3 光学双阱（DWOT）及其演化
• 2.4 新颖光学晶格
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 轴向三光阱与三分量物质波干涉
• 3.1 引言
• 3.2 轴向三光阱方案
• 3.3 轴向三分量物质波干涉
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 复合余弦光栅产生的三维光阱列阵
• 4.1 引言
• 4.2 改进的轴向多光阱
• 4.3 全空间三维光阱列阵
• 4.4 冷原子动态装载过程的Monte-Carlo模拟
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 2光学晶格中的光子带隙与调控光谱'>第五章 一维CO₂光学晶格中的光子带隙与调控光谱
• 5.1 引言
• 2光学晶格'>5.2 一维CO₂光学晶格
• 5.3 三能级原子电磁感应透明的驱动机制
• 5.4 一维光子带隙与缺陷模式
• 5.5 有限晶格中的反射与透射光谱
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究工作的总结
• 6.2 本文的主要创新之处
• 6.3 今后研究工作的展望
• 博士研究生阶段发表和待发表的论文目录
• 致谢