基于二维磁光阱的增强型^(199)Hg冷原子团制备

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度,实现了用于^(199)Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备.实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数,将三维磁光阱的^(199)Hg冷原子装载率增强了51倍,提升至3.1×10^(5)s^(–1),然后使用压缩磁光阱技术将^(199)Hg冷原子团的温度降低至45μK,低于多普勒冷却理论温度.这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益,有效地缩短了冷原子团的制备时间,同时也降低了原子团的温度,有利于提高光晶格的转移效率,为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.

磁光阱技术研究现状及发展趋势

磁光阱(MOT)作为激光冷却和陷俘原子的主要手段,在现代原子物理领域有着广泛应用。通过一对反亥姆霍兹线圈形成的磁阱和六束对射正交激光形成的光阱,将原子的温度冷却到接近绝对零度,可在很大程度上抑制原子的多普勒效应与碰撞效应带来的影响。相比于以热原子为工作介质的精密测量仪器,利用MOT技术研制的冷原子钟、冷原子干涉仪、冷原子加速度计等在性能上有大幅提升。阐述了MOT的基本原理及关键技术,综述了国内外MOT技术发展现状以及近年来在MOT性能提升方面开展的相关研究工作,分析总结了MOT技术发展趋势,主要包括小型化与微型化、大通量与高装载率以及参数智能优化等方面。

大失谐连续输运激光情形下双磁光阱中冷原子的输运

在我们建立的铯原子双磁光阱实验装置上,采用连续激光将气室磁光阱中冷却并俘获的冷原子输运到超高真空磁光阱。在前期利用近共振弱光研究原子输运的工作基础上,我们将输运激光的负失谐量扩展到约2.0 GHz,并增大了输运光功率,对冷原子的输运作了实验研究。结果表明:在大负失谐情形下,较强的输运光使冷原子输运更为有效,归因于输运光束对原子的偶极力造成对冷原子的导引作用。

利用解压缩磁光阱技术实现铷87原子的亚多普勒冷却

利用解压缩磁光阱(DCMOT)技术将铷87原子温度降低到多普勒冷却极限温度以下。在磁光阱中获得铷87原子冷原子团,通过减小磁场梯度、降低回泵光功率和增加冷却光失谐量进一步降低冷原子温度。通过研究原子自由飞行后密度随磁场梯度、回泵光功率和冷却光失谐量的变化关系,得到最优化的实验参数.测得DCMOT后原子的温度为129μK,低于铷87原子的多普勒冷却极限温度(144μK)。将低温冷原子直接装载到磁阱中,装载效率为25%。

运转在超高真空铯原子汽室中的磁光阱(英文)

采用两台窄线宽半导体激光器作为俘获光源和再泵浦（ｒｅｐｕｍｐｉｎｇ）光源，我们实现了直接工作在铯原子超高真空气室中的磁光阱。获得的冷原子样品中的铯原子数、平均原子密度和温度分别为２．８×１０８、３．９×１０１０个／ｃｍ３和３００μＫ。

用于铯原子磁光阱的超高真空系统

立足于国产材料、真空设备和技术，设计、建立了一套用于铯原子磁光阱的超高真空系统。整个系统结构紧凑、性能稳定、操作方便，其真空度可保持在１．２×１０－７Ｐａ（约９．０×１０－１０Ｔｏｒｒ）左右，可满足直接工作在铯原子汽室中的磁光阱的要求。

铯原子双磁光阱中冷原子的输运：从推载到导引

在超高真空环境下实现中性原子的激光冷却与俘获，可以有效地避免背景气体对冷原子的碰撞所造成的影响，已成为玻色-爱因斯坦凝聚、冷原子光学腔量子电动力学、中性原子玻色-费米混合气体等实验研究的出发点。结合气室磁光阱和超高真空磁光阱的所谓双磁光阱，以其真空系统相对简单、参数易于控制、效率高等优点，得到了很大发展。双磁光阱既能在气室磁光阱部分从处于室温的原子背景中快速冷却和俘获原子，然后将其通过一定途径输运到超高真空磁光阱中，又能达到在压力极低的超高真空环境下制备冷原子的目的。

二维磁光阱产生铯原子束的数值模拟

通过分析铯原子在σ^+-σ^-组态的圆偏振光照射下塞曼子能级的分布情况,构造铯原子在二维磁光阱(2D-MOT)中的受力模型,利用龙格-库塔方法求解铯原子的运动方程,实现原子束产生过程的三维模拟.得出原子束流量随小孔半径、铯原子蒸汽压、激光光强、激光失谐量、磁场梯度等的变化规律.与实验数据进行比较表明受力模型的正确性,该方法能直观模拟原子束的产生,准确揭示原子束流量随各项参数的变化规律,为实验提供理论指导.

磁光阱特性及冷原子集合行为的实验研究

磁光阱目前已经成为量子光学领域内的一种强有力的研究工具。在实现了铯磁光阱后，我们通过对实验系统的改进提高了磁光阱的性能，在此基础上对磁光阱中原子数目和密度与磁光阱参数（包括激光光强、失谐以及磁场梯度等）的关系进行了系统的实验研究，结果与我们的理论预计［１］大致符合。同时我们还观察到在调节冷却激光光束准直和补偿地磁场的亥姆霍兹线圈电流过程中出现的冷原子云形状的变化，包括原子云的干涉图样、多亮点原子云、环形原子云、蝴蝶状原子云等，其中不少现象未见报道，对这些现象进行了初步分析。

球面波场下原子的力学效应及球面波磁光阱

从理论上计算了原子在球面波场中的受力情况 ,提出具体球面波磁光阱 (MOT)的方案 ,计算结果表明 ,球面波冷却和捕陷原子的方法具有冷却原子的范围大和捕陷原子的数目多 ,冷却效率高等优点。并可极大地缩小装置的体积。

^(85)Rb和^(87)Rb双磁光阱的同时实现及特性研究

双磁光阱的同步实现是利用冷原子干涉仪检验爱因斯坦等效原理的重要实验基础之一。采用高频声光调制移频方案获得了冷却囚禁^(85)Rb和^(87)Rb两种原子的激光,进而同步实现了两种原子的磁光阱。在此基础上,研究了双磁光阱中原子数与冷却光参数的关系,优化了实验参数,双磁光阱中两种原子的数目均达到10~9。

冷原子干涉仪中二维磁光阱线圈的优化设计

大通量冷原子源是实现高精度冷原子干涉仪的关键技术之一。为获得大通量冷原子源,通常采用二维磁光阱(2D-MOT)和三维磁光阱(3D-MOT)的级联结构,其中2D-MOT的磁场分布是影响其性能的重要因素。通过数学建模及有限元分析,对2D-MOT中不同构造(长方形、跑道形、马鞍形)的反亥姆霍兹线圈进行数值计算,分析了不同构造线圈的磁场分布及因在制造与装配过程中产生的偏心、线圈不对称、平行度及内径不对称误差造成的磁场零点漂移和磁场梯度变化。分析结果表明,在偏心误差C<1.14 mm,线圈不对称误差ΔI<0.016 A,平行度误差θ<1.02°时,马鞍形线圈产生的磁场梯度更有利于制备大通量冷原子源。该结果为冷原子干涉仪2D-MOT的磁场系统设计和加工提供了理论指导。

中性汞原子磁光阱装载率的优化

量子投影噪声是影响光晶格钟的一个重要参数,提高磁光阱中装载率有利于降低量子投影噪声,可提升光晶格钟的性能.针对实验所用的汞原子单腔磁光阱,本文分析并计算了磁光阱中汞原子受力情况和一维运动规律,在此基础上用随机数方法对磁光阱中汞原子三维装载进行了数值计算,获得了磁光阱中的稳态原子数,研究了磁光阱的冷却激光的光强、失谐量以及磁场梯度等参数对稳态原子数的影响,得出了获得最优装载率的实验参数.涉及的计算方法和结论对汞原子光晶格钟的实验设计具有参考价值.

基于二维磁光阱的冷原子光抽运铯原子钟研究

在前期二维磁光阱原子冷却实验的基础上,提出了一种利用二维磁光阱产生低速铯束替代传统铯原子钟原子束的方案。新方案可以有效降低铯束中原子的运动速度,压窄Ramsey线宽,从而实现慢速连续原子束原子钟。理论分析表明,该慢速冷原子光抽运铯原子钟的Ramsey线宽为同体积传统热束小铯钟的十分之一,这将有效提高光抽运铯原子钟的短期稳定度,这种原子钟是未来守时原子钟的一种新的发展方向。

铷原子磁光阱中超冷等离子体的形成和演化（英文）

在铷原子的磁光阱中,通过光电离冷原子方法和稠密里德堡原子的自发演化方法产生了超冷等离子体.磁光阱中冷却并囚禁了10^7个原子,温度约为500μK,之后用一束脉冲激光将冷原子电离或者激发至高里德堡态,通过调节脉冲激光的能量控制离子数量或者里德堡原子的数量.利用延迟斜坡电场或脉冲电场引出超冷等离子体中的电子,对超冷等离子体的形成和演化进行了研究,并利用库仑势阱模型对实验结果进行了解释.实验结果表明,由于来自长寿命里德堡原子的贡献,里德堡原子自发演化形成的超冷等离子体的寿命比光电离形成的超冷等离子体的寿命长.

采用永磁铁的钠原子二维磁光阱的设计和研究

在空间尺度上简化冷原子实验装置,有利于实验室空间的充分利用,特别有助于提高冷原子系统在航天、精密测量领域中的空间利用率.本文采用四组永磁铁产生的磁场构造了用于冷却俘获中性钠原子的二维磁光阱,并且利用磁铁组在竖直方向的剩磁分布实现了原子的塞曼冷却.钠原子在二维磁光阱中进一步冷却俘获,这为处于高真空的三维磁光阱提供了一个高效的原子束流.实验上通过优化塞曼冷却和二维磁光阱的参数,测得三维磁光阱中最大的原子装载率达2.3×10^9/s,实现了6.2×10^9个原子的俘获.这种采用永磁铁的二维磁光阱设计,结构简单紧凑,有助于提高实验室的空间利用率.此方案可以推广到冷却俘获其他中性原子.

全部采用国产材料和设备实现磁光阱超高真空系统

介绍一种磁光阱用超高真空系统。该系统全部采用国产材料和设备，其极限真空度可以达到＜6×1018Pa（或＜5×10－10托）。用此系统已经观测到冷原子云实验现象，证明系统可靠实用，同时也为进一步的原子喷泉实验做好了准备。

磁光阱中超冷钠-铯原子碰撞的实验研究

研究了磁光阱中异核超冷钠铯原子的碰撞机理,测量了超冷钠原子的碰撞损失率,得到了钠-铯原子的碰撞损失系数β_(Na-Cs)与钠原子俘获光强度之间的关系.利用多普勒模型计算了不同俘获光强度下的钠原子磁光阱的阱深,得到了临界光强的理论值,与实验结果符合得较好.