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成功案例

原子光谱学、磁光阱

我公司提供的DBR激光器和外腔半导体激光器产品已广泛应用于冷原子物理实验研究中，为小型化磁光阱系统的实现提供了有力保障。

磁光阱参量的实验研究

1、磁光阱的基本原理和相关参量的研究

激光发明以后，从事原子物理研究的学科学家一直在探索将室温下的中性原子减速，并将其囚禁在一个局域空间，1975年美国斯坦佛大学物理系教授Hansch和Schawlow提出了利用激光冷却中性原子的建议后，科学家们开始利用激光对运动原子进行冷却与囚禁的研究。1982年美国国家标准局的Phillips博士和美国纽约石溪分校物理系的Metcalf教授利用塞曼磁场与激光行波场将高速原子冷却到很低的温度^【¹^】，1986年，AT&TBell实验室的StevenChu博士**在实验上利用六束激光束束缚了原子，获得了接近Doppler冷却极限的原子光粘胶^【²^】（OpticalMolasses），1987年，调入美国斯坦佛大学物理系工作的Steven Chu教授和麻省理工学院物理系教授 D. E. Pritchard利用AT&T Bell实验室的装置^【³^】，利用法国巴黎高师物理系J Dalibard博士提出的构想，实现了个磁光阱——钠原子的磁光阱，该磁光阱就应用了J Dalibard提到的实验方案，在由一对通有相反方向电流的线圈组成的四极磁场中，六束两两对射并且具有相反圆偏振方向的光束交叠于零磁场处，在这个交叠区域附近形成了磁光阱（图1.1）。六束激光的频率低于原子的共振跃迁频率，负失谐于所选用的冷却循环跃迁。在阱中原子同时感受到阻尼力和回复力，高速运动的原子可以得到减速，已经得到减速的原子可以被囚禁在零磁场附近的小区域内。

2、与磁光阱有关各项参数的研究与测量

i磁光阱中囚禁原子数目N测量

利用磁光阱从气室中直接捕获原子牵涉到两个过程：捕获原子的过程和原子从阱中逃逸的过程。如果考虑到阱中原子之间发生的双体碰撞对阱中原子，从真空气室中捕获原子的速率，与系统的真空度有关；原子停留在阱中的寿命，与阱中原子和背景气体原子的碰撞过程有关；第三项表示阱中冷原子双体碰撞对囚禁原子数目的影响。

参照磁光阱对原子的捕获速率、原子的碰撞截面以及背景气体的平均运动速度，可以得到以下的定性结果：磁光阱囚禁原子数目与冷却光束直径的4次方成正比，随着冷却光光强的增加而增大，存在佳的频率失谐值和磁场梯度使得囚禁原子数目多。这与前面的理论讨论结果是吻合的。

磁光阱中铯冷原子的数目测量是利用荧光检测法，通过分析收集到的原子所发共振荧光光子数目来推算原子的数目。
ii. 磁光阱中冷原子的温度T测量

人们认识到磁光阱中的冷却机制比较复杂，多普勒冷却机制和亚多普勒冷却机制共同作用的结果是室温状态下的热原子被减速，减速的原子进入势阱范围被囚禁在磁场零点附近的小范围内。处于阱中心附近的原子感受到的磁场很小，假设磁场的梯度~10G/cm，在典型的势阱尺寸~100mm处磁场仅有0.1G。对于囚禁原子数目较多时，阱中冷原子之间的碰撞（包括基态原子之间的范德瓦尔斯作用和基态原子与激发态原子之间的偶极相互作用）不**制了阱中囚禁原子密度的提高，而且使阱中原子的温度不能进一步降低。尽管如此，在冷却光强比较小、磁场梯度不是很大的情况下，磁光阱中冷原子的温度仍然可以达到很低，可以与同样条件下无梯度磁场的光学粘团中原子的温度相比。

在磁光阱中原子温度远远大于单光子反冲极限温度的情况下，磁光阱中冷原子的温度正比于冷却光的光强，反比于冷却光场的失谐。但是当冷却光的失谐进一步增加、光强减小，磁光阱中冷原子的温度不再降低，反而由于冷却效率的降低温度变大。

对磁光阱中冷原子温度的测量可以采用以下两种方法：

1）一定的条件下，原子温度仅是冷却光参量和原子数目的函数，可以直接由这些参量估算出原子的温度。一个简单的模型给出估算磁光阱中原子温度的方法，即磁光阱中由于原子的热运动使得原子在阱中的分布为高斯分布。
2）利用测量飞行时间信号（TOF，Time Of Flight）的方法将原子在速度域的分布展为空间域的时间分布，通过测量信号的半高全宽计算出原子的温度。为了尽量减小梯度磁场的存在对原子温度的影响，对磁光阱中冷原子温度的测量采用控制时序。利用TOF方法测量得到的磁光阱中冷原子温度约20mK，利用蒙特卡洛方法，考虑原子的初始空间分布、飞行距离等，模拟了温度为20mK的磁光阱中冷原子团在重力场中自由下落9.6cm距离得到的TOF信号）。此时的系统工作条件：六束冷却光由从激光器S1输出激光经光纤滤波后分成六束得到，截面平均光强约为0.7（±0.2）mW/cm²，光束直径约为1.2cm，冷却光的失谐为-10MHz，磁场梯度约为10G/cm，关闭冷却光后50ms后关闭梯度磁场。探测光束的直径约1cm（截面为圆形），光强约1MW/cm²，利用一个零度全反镜形成探测驻波光场，探测光是由中间级放大从激光器S2分光所得，频率锁定在冷却循环跃迁上，偏振为s⁺圆偏振光（由于波片质量原因，圆偏度较差）。

可以注意到此时磁光阱中冷原子团得温度低于多普勒冷却极限温度，接近光学粘团方法得到得冷原子温度，这是因为实验中冷却光的光强较小，在这样的失谐和磁场梯度条件下磁光阱的阱深较浅，而磁光阱中囚禁原子数目也较小（视频监视器上冷原子团的荧光信号也较弱）。当进一步增大或减小冷却光的失谐，可以囚禁的原子数目更小。在系统容忍的测量误差范围内（光电管的效率和后级放大器的转换噪声等限制），当冷却光的失谐大于-12MHz（值）或者小于-6MHz时冷原子的温度会逐渐升高。在冷却光光强较低、失谐较大、磁场梯度较小的情况下，磁光阱的阱深较浅，可以囚禁的冷原子数目较小，同时冷却囚禁原子的速度分布很窄，即阱深较浅的磁光阱中可以囚禁的原子温度也较低。

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