基于光学腔量子电动力学的原子操控

论文摘要

腔量子电动力学（腔QED）主要研究受限在微腔中的光场（电磁场）与原子的相互作用。通过研究在微米乃至亚微米尺度上单原子与光场的作用,可以帮助人们认识原子-光子纠缠的动力学过程。自20世纪90年代以来,随着高品质光学微腔与原子激光冷却与俘获的结合,原子与光子的相互作用达到强耦合。由原子、光子和几乎无损耗的腔构成的系统组成了一个介观量子系统,该系统可以研究单粒子的量子行为,已经成为探索量子物理世界若干非经典行为的重要工具,而且在量子态的制备以及量子计算和量子通讯等领域具有重要意义。 然而这些工作都建立在光学腔中中性原子俘获的基础之上,能否实现光场与原子的强耦合的一个关键因素就在于对单原子的控制能力。随着冷原子操控技术的发展,人们可以有效地将原子冷却至接近绝对零度,还可以通过光学偶极力阱实现单个原子的操控。而对原子的这些控制都是通过激光来实现的,半导体激光器对实现原子的控制至关重要。本文研究了半导体激光器的线宽和位相噪声特性,并且结合实验小组的前期工作积累,采用双磁光阱方案实现了中性原子冷却和俘获的双磁光阱,并完成原子输运过程。为实现通过微腔中的驻波场形成的光学阱对原子的控制,奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 对中性原子控制的发展历史
• 1.2.1 早期对原子作用力的认识
• 1.2.2 激光束对原子的操控
• 1.2.3 原子的激光冷却与俘获
• 1.2.4 光场操控中性原子的半经典理论
• 1.3 腔量子电动力学的发展历史
• 1.3.1 腔量子电动力学的诞生
• 1.3.2 实验进展
• 1.4 本论文结构安排
• 参考文献
• 第二章 外腔半导体激光器的特性
• 2.1 引言
• 2.2 自由运转半导体激光器的基本原理和特性
• 2.2.1 半导体激光器的主要特性
• 2.2.2 输出光束的特性
• 2.2.3 半导体激光器的温度依赖性
• 2.2.4 半导体激光器的线宽
• 2.3 光栅外腔可调谐半导体激光器的装配及参数测量
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 光路系统与机械结构
• 2.3.3 激光器阈值电流和线宽参数的测量
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 自混合干涉
• 3.1 引言
• 3.1.2 自混合干涉效应的历史背景
• 3.1.2 自混合干涉效应的理论与应用研究进展
• 3.2 LD的强度与相位噪声
• 3.2.1 强度噪声
• 3.2.2 相位噪声
• 3.2.3 LD相位噪声的测量
• 3.3 自混合干涉效应中LD相位噪声的测量
• 3.3.1 理论分析
• 3.3.2 相位噪声测量实验与结果
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 铯原子双磁光阱
• 4.1 磁光阱理论分析
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 铯原子磁光阱的一维简化模型
• 4.1.3 铯原子磁光阱简化模型中原子所受的辐射压力
• 4.2 铯原子双磁光阱实验系统的主要结构
• 4.2.1 磁光阱的光学系统
• 4.2.2 激光器输出光束频率与强度的控制
• 4.2.3 光束的扩束
• 4.2.4 磁光阱光路
• 4.2.5 真空系统和四极磁场
• 4.2.6 时序控制和探测系统
• 4.3 铯原子双磁光阱的实现
• 4.3.1 铯原子气室磁光阱
• 4.3.2 铯原子超高真空磁光阱
• 4.4 磁光阱相关参数的测量
• 4.4.1 冷原子数
• 4.4.2 冷原子云的几何尺寸
• 4.4.3 冷原子的等效温度
• 4.4.4 冷原子温度的测量
• 4.4.5 短程飞行时间吸收法对冷原子温度的测量
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 铯原子的偏振梯度冷却
• 5.1 偏振梯度冷却的理论分析
• 5.1.1 线偏振光场偏振梯度冷却机制
• 5.1.2 圆偏振光场偏振梯度冷却机制
• 5.2 铯原子偏振梯度冷却的实验实现
• 5.2.1 计算机时序控制程序的改进和完善
• 5.2.2 冷原子云自由膨胀的实现
• 5.2.3 偏振梯度冷却的实验实现
• 参考文献
• 第六章 单原子的控制和测量进展
• 6.1 引言
• 6.2 光子和原子控制的整体方案
• 6.2.1 光学微腔的构建
• 6.2.2 微腔控制
• 6.2.3 原子的控制:光学偶极俘获
• 6.3 单原子的测量
• 6.4 单粒子控制展望
• 6.5 小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 攻读博士期间完成的论文
• 致谢