论文摘要
中性分子的冷却、囚禁与操控是冷分子物理与分子光学的前沿研究课题之一。与原子相比,分子具有更加丰富的内态结构,因此冷分子与超冷分子可广泛用于基本物理问题的研究、基本物理常数的精密测量、分子冷碰撞性质的研究、量子计算与量子信息处理以及冷化学的研究等。所以,分子光学研究有着十分重大的科学意义和广阔的应用前景。近十年来,冷分子的产生和应用研究得到了快速的发展。本文首先综述了中性分子的冷却、囚禁与操控的基本原理、实验研究及其最新进展;其次,讨论了脉冲超声分子束和连续射流分子束产生的基本原理及其性能;接着,就中性分子的光学Stark减速进行了详细的理论研究,并就半高斯光束构成的分子反射镜进行了理论分析;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。本文提出了一种产生无衍射条纹的半高斯光束的新方案。我们采用空间光调制器破坏激光场的相干性,得到部分相干光,然后让具有高斯分布的部分相干光通过半无限大平板得到无衍射条纹的半高斯光束。我们运用统计光学与衍射光学的知识计算了该方案产生的半高斯光束的强度分布。我们提出了采用半高斯光束实现中性分子光学Stark减速器的二种新方案:即采用单级准连续的半高斯光束减速连续分子束和采用静电存储环和半高斯束的多级光学减速脉冲分子束的Stark减速方案。利用Monte-Carlo方法研究了半高斯光束的单级光学Stark减速器对连续分子束的减速效果以及多级光学Stark减速器对脉冲分子束的减速效果。当用阱深为7.33mK的准连续半高斯光束减速温度为10mK的重氨分子束时,可以获得动能损失约为10%的减速效果,同时入射分子束中超过90%的分子能够从减速器中输出。如果将分子束囚禁在静电存储环中,可以实现分子束的多级光学Stark减速。囚禁在静电存储环中的速度为15m/s的重氨分子与阱深为10.86mK的半高斯光束作用24次之后,速度可降为2.89m/s。本文还提出利用静止的红失谐的准连续光晶格对脉冲超声分子束的减速与囚禁。Monte-Carlo模拟结果显示,利用该方案在毫米尺度范围内可以直接将从脉冲阀喷出来的束流速度为230m/s的超声分子束速度减为零。减速结束后关闭光场调制信号,将减速后的温度处于亚毫开范围的冷分子囚禁在这个光晶格中。文中还详细研究了同步分子的位置以及减速级数对减速效果的影响。我们还提出了采用半高斯光束构建全光型分子反射镜的新方案,并采用Monte-Carlo方法详细模拟了两种分子反射镜反射分子束的动力学过程。对于连续蓝失谐分子反射镜,当激光功率为1.0kW时,可以镜面反射温度为30mK的碘分子束中58.2%的分子。对于脉冲红失谐分子反射镜,如果选择合适的参数,经过静电场Stark减速后的脉冲分子束中所有的分子都可以被反射。我们还研究了分子反射镜参数以及分子束参数对反射效率的影响。结果表明,反射镜功率越高,入射分子束初始速度越低,反射镜的反射率越大。
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