用于腔量子电动力学实验的铯原子双磁光阱及其冷原子输运研究

论文摘要

腔量子电动力学（Cavity QED）是一个独立、开放的体系，为量子光学、量子信息处理等领域提供了强有力的研究平台，而原子与腔模处于强耦合区域是实现原子一光子控制的基本条件。 激光冷却与俘获技术的发展，一方面提供了理想的冷原子源；另一方面超高真空腔体为腔QED的研究提供了更纯的研究环境。随着确定数量的原子，乃至单个原子在腔内的俘获，使单原子、单光子相互作用的研究成为可能，腔QED的实验研究随之进入了新时期。原子与光学微腔组成的介观体系促进了量子信息科学领域的发展，由于其在量子信息方面的潜质，以及可能成为未来量子信息网络的单元，受到更多物理学家的关注。 本文系统回顾了腔QED的历史发展；扼要介绍了激光冷却与俘获中性原子的发展脉络，并从基本物理思想的角度对激光冷却与俘获机制作了概述；在此基础上详细阐述了我们铯原子双磁光阱实验系统的设计、建立，对所涉及到的一些重要问题，如冷原子样品与磁光阱各参数之间的关系，以及冷原子吸收谱特性作了相关研究；尤其是对铯原子双磁光阱输运过程的物理图景作了阐述，向腔QED实验迈出了关键一步；最后，介绍了我们腔QED实验情况。完成的主要工作为： （1）、采用磁致二色性无调制稳频方法，实现了激光冷却与俘获系统中再泵浦激光器的频率锁定，将该激光器锁定到铯原子D2线

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 腔量子电动力学实验系统
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 强耦合
• 1.2.3 J—C模型
• 1.2.4 光学微腔系统
• 1.3 强耦合区相关实验回顾
• 1.4 中性原子的激光冷却与俘获
• 1.4.1 中性原子激光冷却与俘获概述
• 1.4.2 冷原子的应用
• 1.5 双磁光阱系统中冷原子的输运
• 1.6 小结
• 参考文献
• 第二章 多普勒冷却与铯原子磁光阱的激光器系统
• 2.1 多普勒冷却机制的物理描述
• 2.2 光场的辐射压力
• 2.3 激光冷却与俘获铯原子的激光系统
• 2.3.1 铯原子能级结构
• 2.3.2 铯原子饱和吸收谱线
• 2.3.3 激光器系统
• 2.3.3.1 引言
• 2.3.3.2 相敏检波稳频
• 2.3.3.3 声光偏频铯原子亚多普勒光谱实现冷却光激光器无调制锁频
• 2.3.3.3.1 冷却光激光器
• 2.3.3.3.2 原理简述
• 2.3.3.3.3 实验系统
• 2.3.3.2.4 实验结果及讨论
• 2.3.3.4 磁致二色性原理实现再泵浦光激光器无调制锁频
• 2.3.3.4.1 引言
• 2.3.3.4.2 原理及实验系统
• 2.3.3.4.4 实验结果及讨论
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 气室磁光阱与超高真空磁光阱
• 3.1 磁光阱
• 3.1.1 磁光阱基本理论分析
• 3.1.2 铯原子磁光阱简化模型
• 3.2 双磁光阱真空系统
• 3.2.1 真空系统设计的基本出发点
• 3.2.2 双磁光阱真空系统
• 3.2.3 超高真空机组
• 3.2.4 真空系统的实现
• 3.3 双磁光阱光路系统
• 3.3.1 铯原子相关参数
• 3.3.2 实现双磁光阱光路总图
• 3.4 双磁光阱梯度磁场
• 3.5 双磁光阱的具体实现
• 3.6 双磁光阱冷原子相关参数研究
• 3.6.1 磁光阱中冷原子云尺寸的测量
• 3.6.2 磁光阱中冷原子数的测量
• 3.6.2.1 荧光收集法
• 3.6.2.2 吸收法
• 3.6.3 磁光阱中冷原子数与各相关参数的对应关系
• 3.6.3.1 冷却与俘获光场与原子数之间的关系
• 3.6.3.2 再泵浦光场与原子数之间的关系
• 3.6.3.3 梯度磁场与原子数之间的关系
• 3.6.3.4 输运光特性与超高真空磁光阱中冷原子数之间的关系
• 3.6.4 磁光阱中冷原子温度的测量
• 3.6.4.1 利用短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度的模型
• 3.6.4.2 短程飞行时间吸收谱方法在实验中的应用
• 3.6.5 偏振梯度冷却前后冷原子温度的比较
• 3.6.5.1 偏振梯度冷却机制
• 3.6.5.2 偏振梯度冷却在超高磁光阱中的应用
• 3.6.6 双磁光阱中冷原子的装载
• 3.6.6.1 气室磁光阱的装载
• 3.6.6.2 超高真空磁光阱的装载
• 3.6.6.3 气室磁光阱装载曲线拟合的修正
• 3.7 磁光阱中冷原子吸收谱的研究
• 3.7.1 缀饰态理论
• 3.7.1.1 缀饰原子的基本图像
• 3.7.1.2 缀饰原子对弱探测光的吸收谱
• 3.7.2 冷原子吸收谱
• 3.7.3 采用缀饰原子模型对冷原子吸收谱的分析
• 3.8 小结
• 参考文献
• 第四章 双磁光阱中冷原子输运研究
• 4.1 引言
• 4.2 原子在光场中受力分析
• 4.2.1 光场对原子的作用力分析
• 4.2.2 静止二能级原子在光场中所受的散射力和偶极力
• 4.2.3 散射力和偶极力
• 4.2.4 偶极势和散射率
• 4.3 双磁光阱系统中冷原子的输运
• 4.3.1 双磁光阱实验系统介绍
• 4.3.1.1 双磁光阱冷原子输运的实验装置
• 4.3.1.2 冷原子吸收谱
• 4.3.2 双磁光阱系统中冷原子输运的物理图景
• 4.3.2.1 双磁光阱系统输运光频率失谐对原子输运过程的影响
• 4.3.2.2 双磁光阱系统输运光功率对原子输运过程的影响
• 4.3.3 双磁光阱系统冷原子输运结果分析、讨论
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 腔QED的预研与展望
• 5.1 引言
• 5.2 光学微腔
• 5.2.1 光学微腔的建立
• 5.2.2 光学微腔精细度的测量
• 5.2.3 光学微腔腔长的测量
• 5.2.4 光学微腔的锁定
• 5.2.5 腔QED频率链的锁定
• 5.3 微弱信号探测系统
• 5.3.1 差拍探测系统的建立
• 5.3.2 单光子计数系统的建立
• 5.4 小结
• 参考文献
• 全文总结
• 博士期间完成的学术论文
• 参加科研项目的情况
• 致谢