我公司提供的DBR激光器和外腔半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于冷原子物理實(shí)驗(yàn)研究中，為小型化磁光阱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有力保障。
磁光阱參量的實(shí)驗(yàn)研究
1、磁光阱的基本原理和相關(guān)參量的研究
激光發(fā)明以后，從事原子物理研究的學(xué)科學(xué)家一直在探索將室溫下的中性原子減速，并將其囚禁在一個(gè)局域空間，1975年美國(guó)斯坦佛大學(xué)物理系教授Hansch和Schawlow提出了利用激光冷卻中性原子的建議后，科學(xué)家們開始利用激光對(duì)運(yùn)動(dòng)原子進(jìn)行冷卻與囚禁的研究。1982年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的Phillips博士和美國(guó)紐約石溪分校物理系的Metcalf教授利用塞曼磁場(chǎng)與激光行波場(chǎng)將高速原子冷卻到很低的溫度【1】，1986年，AT&TBell實(shí)驗(yàn)室的StevenChu博士**在實(shí)驗(yàn)上利用六束激光束束縛了原子，獲得了接近Doppler冷卻極限的原子光粘膠【2】（OpticalMolasses），1987年，調(diào)入美國(guó)斯坦佛大學(xué)物理系工作的Steven Chu教授和麻省理工學(xué)院物理系教授 D. E. Pritchard利用AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室的裝置【3】，利用法國(guó)巴黎高師物理系J Dalibard博士提出的構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)了個(gè)磁光阱——鈉原子的磁光阱，該磁光阱就應(yīng)用了J Dalibard提到的實(shí)驗(yàn)方案，在由一對(duì)通有相反方向電流的線圈組成的四極磁場(chǎng)中，六束兩兩對(duì)射并且具有相反圓偏振方向的光束交疊于零磁場(chǎng)處，在這個(gè)交疊區(qū)域附近形成了磁光阱（圖1.1）。六束激光的頻率低于原子的共振躍遷頻率，負(fù)失諧于所選用的冷卻循環(huán)躍遷。在阱中原子同時(shí)感受到阻尼力和回復(fù)力，高速運(yùn)動(dòng)的原子可以得到減速，已經(jīng)得到減速的原子可以被囚禁在零磁場(chǎng)附近的小區(qū)域內(nèi)。
2、與磁光阱有關(guān)各項(xiàng)參數(shù)的研究與測(cè)量
i磁光阱中囚禁原子數(shù)目N測(cè)量
利用磁光阱從氣室中直接捕獲原子牽涉到兩個(gè)過程：捕獲原子的過程和原子從阱中逃逸的過程。如果考慮到阱中原子之間發(fā)生的雙體碰撞對(duì)阱中原子，從真空氣室中捕獲原子的速率，與系統(tǒng)的真空度有關(guān)；原子停留在阱中的壽命，與阱中原子和背景氣體原子的碰撞過程有關(guān)；第三項(xiàng)表示阱中冷原子雙體碰撞對(duì)囚禁原子數(shù)目的影響。
參照磁光阱對(duì)原子的捕獲速率、原子的碰撞截面以及背景氣體的平均運(yùn)動(dòng)速度，可以得到以下的定性結(jié)果：磁光阱囚禁原子數(shù)目與冷卻光束直徑的4次方成正比，隨著冷卻光光強(qiáng)的增加而增大，存在佳的頻率失諧值和磁場(chǎng)梯度使得囚禁原子數(shù)目多。這與前面的理論討論結(jié)果是吻合的。
磁光阱中銫冷原子的數(shù)目測(cè)量是利用熒光檢測(cè)法，通過分析收集到的原子所發(fā)共振熒光光子數(shù)目來推算原子的數(shù)目。
ii. 磁光阱中冷原子的溫度T測(cè)量
人們認(rèn)識(shí)到磁光阱中的冷卻機(jī)制比較復(fù)雜，多普勒冷卻機(jī)制和亞多普勒冷卻機(jī)制共同作用的結(jié)果是室溫狀態(tài)下的熱原子被減速，減速的原子進(jìn)入勢(shì)阱范圍被囚禁在磁場(chǎng)零點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)。處于阱中心附近的原子感受到的磁場(chǎng)很小，假設(shè)磁場(chǎng)的梯度~10G/cm，在典型的勢(shì)阱尺寸~100mm處磁場(chǎng)僅有0.1G。對(duì)于囚禁原子數(shù)目較多時(shí)，阱中冷原子之間的碰撞（包括基態(tài)原子之間的范德瓦爾斯作用和基態(tài)原子與激發(fā)態(tài)原子之間的偶極相互作用）不**制了阱中囚禁原子密度的提高，而且使阱中原子的溫度不能進(jìn)一步降低。盡管如此，在冷卻光強(qiáng)比較小、磁場(chǎng)梯度不是很大的情況下，磁光阱中冷原子的溫度仍然可以達(dá)到很低，可以與同樣條件下無梯度磁場(chǎng)的光學(xué)粘團(tuán)中原子的溫度相比。
在磁光阱中原子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單光子反沖極限溫度的情況下，磁光阱中冷原子的溫度正比于冷卻光的光強(qiáng)，反比于冷卻光場(chǎng)的失諧。但是當(dāng)冷卻光的失諧進(jìn)一步增加、光強(qiáng)減小，磁光阱中冷原子的溫度不再降低，反而由于冷卻效率的降低溫度變大。
對(duì)磁光阱中冷原子溫度的測(cè)量可以采用以下兩種方法：
1） 一定的條件下，原子溫度僅是冷卻光參量和原子數(shù)目的函數(shù)，可以直接由這些參量估算出原子的溫度。一個(gè)簡(jiǎn)單的模型給出估算磁光阱中原子溫度的方法，即磁光阱中由于原子的熱運(yùn)動(dòng)使得原子在阱中的分布為高斯分布。
2） 利用測(cè)量飛行時(shí)間信號(hào)（TOF，Time Of Flight）的方法將原子在速度域的分布展為空間域的時(shí)間分布，通過測(cè)量信號(hào)的半高全寬計(jì)算出原子的溫度。為了盡量減小梯度磁場(chǎng)的存在對(duì)原子溫度的影響，對(duì)磁光阱中冷原子溫度的測(cè)量采用控制時(shí)序。利用TOF方法測(cè)量得到的磁光阱中冷原子溫度約20mK，利用蒙特卡洛方法，考慮原子的初始空間分布、飛行距離等，模擬了溫度為20mK的磁光阱中冷原子團(tuán)在重力場(chǎng)中自由下落9.6cm距離得到的TOF信號(hào)）。此時(shí)的系統(tǒng)工作條件：六束冷卻光由從激光器S1輸出激光經(jīng)光纖濾波后分成六束得到，截面平均光強(qiáng)約為0.7（±0.2）mW/cm2，光束直徑約為1.2cm，冷卻光的失諧為-10MHz，磁場(chǎng)梯度約為10G/cm，關(guān)閉冷卻光后50ms后關(guān)閉梯度磁場(chǎng)。探測(cè)光束的直徑約1cm（截面為圓形），光強(qiáng)約1MW/cm2，利用一個(gè)零度全反鏡形成探測(cè)駐波光場(chǎng)，探測(cè)光是由中間級(jí)放大從激光器S2分光所得，頻率鎖定在冷卻循環(huán)躍遷上，偏振為s+圓偏振光（由于波片質(zhì)量原因，圓偏度較差）。
可以注意到此時(shí)磁光阱中冷原子團(tuán)得溫度低于多普勒冷卻極限溫度，接近光學(xué)粘團(tuán)方法得到得冷原子溫度，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中冷卻光的光強(qiáng)較小，在這樣的失諧和磁場(chǎng)梯度條件下磁光阱的阱深較淺，而磁光阱中囚禁原子數(shù)目也較?。ㄒ曨l監(jiān)視器上冷原子團(tuán)的熒光信號(hào)也較弱）。當(dāng)進(jìn)一步增大或減小冷卻光的失諧，可以囚禁的原子數(shù)目更小。在系統(tǒng)容忍的測(cè)量誤差范圍內(nèi)（光電管的效率和后級(jí)放大器的轉(zhuǎn)換噪聲等限制），當(dāng)冷卻光的失諧大于-12MHz（值）或者小于-6MHz時(shí)冷原子的溫度會(huì)逐漸升高。在冷卻光光強(qiáng)較低、失諧較大、磁場(chǎng)梯度較小的情況下，磁光阱的阱深較淺，可以囚禁的冷原子數(shù)目較小，同時(shí)冷卻囚禁原子的速度分布很窄，即阱深較淺的磁光阱中可以囚禁的原子溫度也較低。