Paul阱中单个～（40）Ca～+囚禁和激光冷却的实验研究

论文摘要

囚禁冷却的单离子所具有的独特性质使得其在量子信息科学以及精密谱特别是光学频率标准等研究领域起到非常重要的作用。本文的主要部分是在微型Paul阱中实现单个钙离子的囚禁和激光冷却,为光频标研究以及量子信息科学研究提供的一个实验平台。建立了非标准的微型Paul离子阱系统,完成了囚禁离子的射频场电路、外加的磁场线圈、激光束的整形和聚焦、微弱荧光成像系统以及实验数据的采集系统等。在Paul阱中完成的实验如下:1)观察到囚禁冷却离子的荧光信号,用调节补偿电极、帽电极补偿电压和减小射频幅度等办法减小离子微运动并优化荧光信号。2)观察到少数离子由离子云状态到离子晶体的相变。3)成功实现单离子的囚禁和激光冷却,通过冷却离子的荧光谱线估算离子的温度大约在22mK。4)通过加上729nm的钟跃迁激光,用量子跳跃的办法测量到单个离子和两个离子的量子跳跃。同时提出了一种离子阱痕量分析(ITTA)探测(41)Ca原子的实验方案。该方案结合原子阱痕量分析(ATTA)以及共振多光子电离质谱分析(RIMS)中的优点,不仅使同位素选择性可以提高一定的量级,实验装置比较简单、便宜,而且利用离子阱来囚禁稀有离子,很容易实现很长的囚禁时间。

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内容摘要

Abstract

第一章绪论

第二章囚禁和冷却单离子的关键技术

第一节离子阱

2.1.1 离子阱基本原理

2.1.2 Lamb-Dicke 区域

第二节激光冷却

2.2.1 多普勒冷却

2.2.2 边带冷却

2.2.3 电磁感应透明冷却

第三节离子测量方法

第三章实验装置

第一节原子体系的选择

3.1.1 钙原子同位素

3.1.2 钙离子能级结构

第二节离子阱系统装置

3.2.1 微型Paul 阱结构

3.2.2 电子枪和原子炉

3.2.3 真空室

3.2.4 射频场

第三节激光器

3.3.1 冷却光——397nm 激光器

3.3.2 回泵光——866nm 激光器

3.3.3 钟跃迁光——729nm激光器

3.3.4 实验光路的调节

第四节探测系统

第五节数据采集程序

第四章实验过程及结果

第一节检测钙原子以及测量钙离子谱线波长（OGN）

4.1.1 用辅助系统测试有没有钙原子束产生

4.1.2 检测离子的产生

4.1.3 用OGN的办法校准钙离子跃迁的波长

第二节囚禁钙离子云

4.2.1 离子云的荧光信号

4.2.2 荧光信号的优化

4.2.3 离子宏运动频率的测量

第三节离子云到离子晶体的相变

第四节激光冷却的单个钙离子

第五节观测量子跳跃现象

第六节弱磁场中的钙离子

4.6.1 钙离子能级在磁场中的塞曼分裂

4.6.2 磁场线圈的设计和实验结果

4.6.3 杂散磁场的估算

4.6.4 Hanle 效应和荧光消失

41Ca原子实验方案'>第五章离子阱痕量分析（ITTA）稀有⁴¹Ca原子实验方案

41Ca原子的意义'>第一节探测⁴¹Ca原子的意义

第二节探测稀有原子方法的研究背景

第三节同位素选择性

41Ca原子的实验方案'>第四节离子阱痕量分析稀有⁴¹Ca原子的实验方案

第六章总结和展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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