（光学专业论文）中性分子的激光导引及其连续冷分子束的产生.pdf

i 。 i： d i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e g r e ei n2 0 1 1 u n i v e r s i 钞c o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn u m b e r ：5 2 0 6 0 6 0 2 0l8 en s tc h i n nn o r m n lu n 如e r s 删f i j l f f f i f i f i f f f i i f l l i f f | i i | j f f i i f 删 y 19 0 3 6 6 7 g e n e r a t i o no fac wc o l dm o l e c u l a r b e a m b yu s i n g l a s e rg u i d i n go f n e u t r a lm o l e c u l e s d e p a r t m e n t ： d e p a r t m e n to fp h y s i c s m a j o r ：o p t i c s r e s e a r c hf i e l d ：a t o m i c ，m o l e c u l a ra n dq u a n t u mo p t i c s s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rj i a n - p i n g n g r a d u a t es t u d e n t ：r u n - q i nl i u a p r i l2 0 1 1 - 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 华东师范大学学位论文原创性声明 进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：伽l f 年石月侈日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 中性分子的激光导引及其连续冷分子束的产生系本人在华东师范大学攻 读学位期间在导师指导下完成的硕士触( 请勾选) 学位论文，本论文的研究 成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学 位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网送交学位论文 的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借 阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索， 将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位 论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或涉密”学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 一 知 辞 k 畛一 ： 衅降 名 力 麟 彻 人卜p 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 刘润琴博士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 王育竹研究员中国科学院上海光学精密机械研究所主席 刘亮研究员中国科学院上海光学精密机械研究所 王祖赓教授华东师范大学 陈扬骏教授华东师范大学 荆杰泰教授华东师范大学 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 论文摘要 冷分子在分子光谱、精密测量、分子冷碰撞及冷化学等方面有着非常重要的 应用。近十多年来，冷分子的产生及其相关研究吸引了众多的眼球。本文围绕中 性分子的激光导引及其连续冷分子束的产生开展理论方案的研究和探索。 我们提出了利用空心光子晶体光纤中红失谐的高斯模式导引中性分子的方 案。我们基于一个经典模型理论计算了分子的直导引效率和弯曲导引效率，并 利用m o n t e c a r l o 方法数值模拟了分子导引的动力学过程，研究了分子的导引效 率、导引后分子束的横向和纵向速度分布等。模拟结果与理论计算值吻合得很好。 当激光功率为2 k w 时，1 2 分子的直导引效率约为2 4 6 ；当激光功率为2 0 0 w 且 光纤的曲率半径为0 2 c m 时，1 2 分子的弯曲导引效率约为1 2 ，并获得了连续 的冷分子束。 我们提出了利用空芯光纤中红失谐的脏l l 模s 型弯曲导引中性分子束的方 案，计算了空芯光纤中1 2 分子的光学势，并通过数值模拟研究了分子导引效率、 导引后分子束的横向和纵向温度与入射激光功率及光纤曲率半径的关系。当入射 激光功率为6 k w 、两弯曲部分的曲率半径为2 c m 、入射分子束的横向和纵向温 度分别为0 5 k 和5 k 时，相应的分子导引效率为o 1 2 6 。导引后分子束的横向 和纵向温度分别为1 9 m k 和0 5 k ，出射分子束的束流为1 0 8 1 0 9 s 。 我们提出了利用弯曲集成光纤束对中性分子进行全光型速度滤波的新方案， 计算了1 2 分子在双色消逝波场中的光学势，并根据一个经典理论模型计算了分子 的导引效率、导引后分子束的横、纵向温度。我们采用经典m o n t e c a r l o 方法模 拟了被导引分子的运动轨迹，研究了出射分子束的导引效率、横向和纵向速度和 空间分布等。当双色激光功率分别为l o w ( 1 0 6 4 m ) 和3 5 8 w ( 2 6 6 n m ) 、波导 弯曲半径为r = 0 2 c m 、入射碘分子束的横纵向温度分别为l k 和5 k 时，相应的 导引效率为4 1 1 0 、导引后分子束的横纵向温度分别为0 2 9 m k 和5 7 m k ，出 射分子束的束流为1 0 5 1 0 6 s 1 。 我们提出了采用四根平板波导实现分子束的u 型弯曲导引及速度滤波的新 方案，计算了四根平板波导空心区域的消逝波场分布及碘分子的光学势和总囚禁 势，并数值研究了分子的导引效率、导引后分子束的横、纵向温度等。当入射激 jnlj11 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 光功率为2 0 0 w ，弯曲导引段的曲率半径为2 c m 时，出射分子束的横向 度分别为3 4 0 从和1 5 3 m k ，相应的束流为1 0 4 1 0 5 s 一。 我们还提出了利用腔增强高斯光束导引中性分子的新方案。当分子 向与腔轴线之间存在一定的夹角时，可以实现对低速分子的速度滤波。 了腔内高斯光束的光场分布及碘分子的光学势，并利用m o n t e c a r l o 方 究了分子的导引效率、导引后分子束的横、纵向温度等。当入射激光 1 0 0 w ，入射束流与腔轴线之间夹角p = 6 0 。时，出射分子束的横向和纵 别为4 m k 和1 3 4 m k ，相应的束流为1 0 8 1 0 9 s 1 。 关键词：中性分子，激光导引，速度滤波，m o n t e c a r l o 模拟，连续冷 导引效率，横向温度，纵向温度，分子束流。 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 a b s t r a c t c o l dm o l e c u l e so 岱玎n e wo p p o r t u n i t i e sf o rm o l e c u l a rs p e c 仃o s c o p y ， p r e c i s i o n m e a s u r c m e n t ，c o l dc o l l i s i o n s ，觚dc o l dc h e m i s t r y o v e rt h ed e c a d e ，t h e r ei sag r e a t i l l t e r e s ti nt h ep r o d u c t i o no fc o l dm o l e c u l e s 粕dt h e i rm a n i p u l a t i o n t h i st h e s i si s d e d i c a t e dt ot h et h e o r e t i c a ls t i l d yo fl a s e rg u i d i n go fn e u t r a lm o l e c u l e sa n d g e n e r a t i o n o fc wc o l dn l o l e c u l a rb e 锄s w ep r o p o s eap r o m i s i n gs c h e m et 0 g u i d ea r b i t m 叫n e u 仃a lm o l e c u l e si i la h o l l o w - c o r ep h o t o n i cb 觚dg 印( h c - p b g ) 舶e rb yu s i n gar e d - d e t u n e dg 锄s s i 锄 m o d e w et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t et h eg u i d i n ge f ! e i c i e n c i e sf o r b o t ht h es t r a i g h tg u i d e 觚db e n tg u i d eb yu s i n gac l a s s i c a lm o d e l ，a n ds t u d yt h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h el a s e r g u i d e dm o l e c u l e sb ym o n t e c a r l os i m u l a t i o n t h es i m u l a t e dv a l u e sf o rt h eg u i d i n g e f f i c i e n c y ，t h en 狮s v e r 锄di o n g i t u d i n a lv c l o c 时d i s t r i b u t i o n so ft h eg u i d e d m o l e c u l a rb e 锄sa g r e ew e l lw i t ht h o s eo b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y w h e nt l l ei n p u ti a s e r p o w e ri s2 k w ，t h es t r a i g h tg u i d i n ge 硒c i e n c yf o r1 2m o l e c u l e si sa b o u t2 4 6 w h i l e m ei n p u tl a s e rp o w e ri s2 0 0 w 锄dt h em d i u so ft h ec u r v a t u r e0 ft h el a s e r 舶e ri s r = ：0 2 c m ，t l l eb e n tg u i d i n ge 伟c i e n c yf o r1 2m o l e c u i e si sa b o u t1 2 ，锄dac wc o l d m o l e c u i a rb e 锄w i l ib cg e n e r a t e d w bp r o p o s ean o v e ls c h e m et 0b e n t l yg u i d en e u t m lm o l e c u l e si nah o l l o wo p t i c a l f i b e ru s i n gar e d - d e t u n e dh e l im o d e w et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t et h eo p t i c a lp o t e m i a l f o r1 2m o l e c u l e si n s i d em eh o l l o w6 b e ra n dn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t et h ed e p e n d e n c e s o ft h eg u i d i n ge m c i e n c y ，t h e 仃a n s v e r s e 锄dl o n g i t u d i n a lt e m p e r a t u r e so fg u i d e d1 2 m o l e c u l e s0 nb o t ht h el a s e rp 0 、v e r 锄dt h er a d i u so ft h ec u r v a t u r eo ft h eb e n tg u i d e o u rs t u d ys h o w st h a ta n dw h e na ni n p u tl a s e ri s6 k w ，a n da ni n p u t1 2m o l e c u l a rb e a m w i t ha 柏n s v e r s et e m p e r a t l l r eo f0 5 k 锄dal o n g i t u d i n a l t e m p e r a t u r eo f5 ki su s e d ，a c wc o l d1 2m o l e c u l a rb e a mw i t hat r a n s v e r s et e m p e r a t u r eo f1 9 m ka n dal o n g i t u d i n a l o n eo f0 5 kw i l lb eg e n e r a t e db yu s i n gas s h a p e dh o l l o wo p t i c a lf i b e rw “ha2 c m r a d i u s o c u n r a t u r ef o rt 、o b e n d s ，a i l dt h ec o n e s p o n d i n gg u i d i n ge 伍c i e n c ya n d o u t p u tf l u xa r ea b o u to 1 2 6 a n dt h eo r d e ro f1 0 8 1 0 9 s 一，r e s p e c t i v e l y w bp r o p o s ean e ws c h e m et og e n e r a t eac wc o l dm o l e c u l a rb e a mb yo p t i c a l l y t 参 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 g u i d i n gm o l e c u l e sa i 。o u n da ns s h a p e di n t e g m t e df i b e rb u n d l e w ec a l c u l a t et h e o p t i c a lp o t e n t i a if o r1 2m o l e c u l e si n s i d et l l e 似o - c o l o re v a l l e s c e n tf i e l da r o u n dt h e f i b e rb u n d l e ，锄dt h e o r e t i c a l l ye s t i m a t ct h eg u i d i n ge f f i c i e n c yo ft h eg u i d e dm o l e c u l a r b e 锄嬲w e l l 嬲i t st r 锄s v e r s e 觚dl o n g i t u d i n a lt e m p e r a t u r c sb a s e do nac l a s s i c a l m o d e l w ea l s op e r f b mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o r l ep r o c e s so fg u i d i n gm o l e c u l e s t h r o u 曲t h eb e n tg u i d e ，锄do b t a i nt h eg u i d i n ge 衔c i e n c yo ft h eo u t p u tm o l e c u l a r b e 锄a sw e na s t ss p a t i a l 锄dv e l o c i 够d i s t r i b u t i o n si i lb o t h 仃a n s v e r s e 觚d l o n g i t i i d i n a ld i r e c t i o n s w h e nt h ep o w e r o ft w oi n p u tl a s e r sa r el0 w ( 10 6 4 n m ) a n d 3 5 8 w ( 2 6 6 n m ) ，廿l e 阳d i u so ft h ec u r v a t i l r eo ft h ef i b e rb u n d l ei so 2 c m ，a n dt h e 仃a n s v e r s e 锄dl o n g i t u d i n a lt e m p e r a t u r e so ft h ei n p u t1 2m o l e c u l a rb e 锄a r e0 5 ka 1 1 d 5 k ，ac wc o l d1 2m o l e c u l a rb e 姗w i t hat r a n s v e r s et e m p e m _ t u r eo fo 2 9 m ka n da l o n g i t u d i n a l0 n eo f5 7 m k w i l lb ep r o d u c e d ，a n dt h ec o n e s p o n d i n gg u i d i n ge 伍c i e n c y 锄do u t p u tf l u xa r ea b o u t4 1 1 0 。7 觚dt h eo r d e ro f1 0 5 一1 0 6 s 一，r e s p e c t i v e l y w bp r o p o au - s h 印e dl a s e rg u i d i n ga n dv e l o c i t yf i l t e r i n gs c h e m ef o rc o l d m o l e c u l e sb yu s i n gt l l ee v a n e s c e n tw a v e si n s i d ef o u rp l 觚盯 w a v e g u i d e s w e t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t et h ed i s _ t r i b u t i o no fe v a n e s c e n tf i e l d sa n dt h eo p t i c a lp o t e n t i a l f o r1 2m o l e c u l e si n s i d et h ef 0 u rp l a n a rw a v e g u i d e s ，a n dn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t et h e f i n a lg u i d i n ge m c i e n c ya sw e l l 邪t h et r a n s v e r s e 锄dl o n g i t i l d i n a l t e m p e r a t u r e so ft h e g u i d e d1 2m o l e c u l a rb e a m o u r r e s e a r c hs h o w st h a tw h e nt h ep o w e ro fe a c hi n c i d e n t l a s e ri s2 0 0 w ：锄dt h ec u n ，a t u r er a d i u so ft h eb e n tg u i d ei s2 c m ，ac wc o l dm o l e c u l a r b e a mw i t hat r m s v e r s et e m p e r a t u r eo f0 3 4 m ka n dal o n g i t u d i n a lo n eo fl5 3 m kc a n b eo b t a i n e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n go u t p u tn u xi sa b o u tl0 4 l0 5 s w ea l s op r o p o s eal a s e rg u i d i n gs c h e m ef o rc o l dm o l e c u l e sb yu s i n gac a v i t y e n h a n c e dg a u s s i a nb e 锄w ec a l c u l a t et h el i g h tf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h eo p t i c a l p o t e n t i a lf o r l 2m o l e c u l e si n s i d et h eo p t i c a lc a v i t y ，a n ds t u d yt h ed y n a m i cb e h a v i o ro f l a s e rg u i d e dm o l e c u l e sb yc l a s s i c a lm o n t e - c a r l os i m u l a t i o n o u rs t u d ys h o w st h a t w h e nt h ei n p u tl a s e rp o w e ri sl0 0 wa n dt h ea n g l eb e t w e e nt h ei n p u tm o l e c u l a rb e a m a n dt h ea x i so ft h eo p t i c a lc a v i t yi s 0 = 6 0 。，ac wc o l dm o l e c u l a rb e a mw i t han u xo f 1 0 8 1 0 9 s 一，at r a n s v e r s et e m p e r a t u r eo f 4 m k a n dal o n g i t u d i n a lo n eo f1 3 4 m kw i l lb e 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 g e n e r a t e d k e y w o r d s ： n e u t i a lm o l e c u l e ， l a s e r g u i d i n g ，v e l o c i t yf i l t e r i n g ， s i m u l a t i o n ，c wc o l dm o l e c u l a rb e 锄，g u i d i n ge m c i e n c y ，t m n s v e r s e l o n g i t u d i n a l t e m p e r a t u r e ，m o i e c u l a rb e 锄f l u x 华东师范大学2 0 l 1 届博士学位论文 目录 第一章文献综述：中性分子的激光减速与冷却 1 1 引言1 1 2 中性分子的冷却与减速l 1 3 本文的研究工作2 2 参考文献2 4 第二章采用空心光子晶体光纤实现分子的激光导引 2 1 引言3 0 2 2 导引方案、模式耦合及分子的光学势3 0 2 3 导引效率的理论计算3 4 2 4m o n t ec 盯l o 模拟3 8 2 5 本章小结4 2 参考文献4 3 第三章采用空芯光纤实现分子的激光导引及其连续冷分子束的产生 3 1 引言4 6 3 21 2 分子的导引方案及其在空芯光纤中的光学势4 6 3 3m o n t ec a r l o 模拟5 1 3 4 本章小结5 5 参考文献5 6 第四章采用s 形单模光纤束构成的光学速度滤波器及连续冷分子束的产生 4 1 引言5 9 4 2 导引方案及碘分子的总势能5 9 4 3 导引效率的理论计算及导引后分子束的横、纵向温度6 3 4 4m o n t e c a r i o 模拟6 7 4 5 本方案与b a l y k i n 小组方案的比较6 9 4 6 本章小结7 4 参考文献7 5 华东师范大学2 0 l l 届博士学位论文 第五章采用四块平板波导实现分子速度滤波的理论研究 5 1 引言7 8 5 2 采用四块平板波导的导引方案7 9 5 3 四块平板波导包围区域的消逝波场及碘分子的导引势7 9 5 4 速度滤波的理论研究8 6 5 5m o n t e c a r l o 模拟及其结果8 8 5 6 本章小结9 1 参考文献9 2 第六章采用腔增强红失谐高斯光束实现分子的激光导引 6 1 引言9 4 6 2 腔增强红失谐高斯光束的导引方案9 4 6 3 光学腔增强理论9 5 6 4 腔增强分子导引的m 0 n t e c a r l o 模拟1 0 l 6 5 本章小结1 0 5 参考文献一1 0 6 第七章总结与展望 7 1 研究工作总结1 0 8 7 2 主要创新之处1 0 9 7 3 未来工作展望1 1 0 附录：博士研究生阶段发表与待发表论文目录1 1 1 致谢1 1 2 第一章中性分子的激光减速与冷却 第一章文献综述：中性分子的激光减速与冷却 1 1 引言 近几十年来，原子冷却和囚禁技术已经取得了巨大的成就。随着原子冷却和 囚禁技术的发展、成熟，原子物理学及量子光学等领域发生了重大变革，其中最 主重要的是1 9 9 5 年玻色爱因斯坦凝聚在实验上的实现【1 3 】，尽管比它的理论预 言【4 】整整晚了7 1 年。随着冷原子技术日趋成熟，冷分子技术也受到越来越多的 关注。分子由原子通过一定的空间结构组成，因此分子的内态结构比原子有趣而 复杂得多。分子具有转动和振动自由度，转动量子态和振动量子态的复杂多样性 使得我们有可能观测到新的物理现象。因此( 超) 冷分子的产生有着更为重大而 又深远的意义。分子具有一些原子不具备的特性，这些特性对冷分子的研究非常 重要。比如，极性分子的玻色爱因斯坦凝聚就是粒子间发生各向异性的强相互作 用而形成的量子粒子流，它的产生为群体量子现象的研究和应用奠定了基础，这 些量子现象可以反映稀薄气体的玻色爱因斯坦凝聚和密集气体玻色爱因斯坦凝 聚的关系。费米超冷分子的研究也很重要，电偶极偶极相互作用可使分子超流 组成b a r d e e i 卜c 0 0 p e 卜s c l l r i e 虢r 对。由于偶极偶极作用是长程的各向异性相互作 用，它从根本上激发了复杂新凝聚态及新量子态的产生。微波场缀饰的极性囚禁 分子团可形成拓扑排序态，遵从跚y o n i c 统计激发【5 ，6 】。超冷分子链的形成可以 为流变现象的模拟提供新体系，从而把对弹性现象的研究扩展到具有非经典特性 的材料 7 】。为了探索冷凝物质的性质与应用必须制备大量温度小于l k 的分子。 冷原子一般通过激光冷却方法制备，该方法的原理是激光光子与原子发生动量交 换从而使原子的速度降低【8 】，即原子经过多次闭合的“吸收辐射”跃迁循环而冷 却。由于分子具有复杂的振转能级，很难找到这样的闭合跃迁，因此，对于大多 数分子来说激光冷却并不适用，必须通过其它可行的办法来实现冷却。 1 2 中性分子的冷却与减速 目前，制备冷分子的方法主要有以下几种【9 】( 见表1 ) ： 第一章中性分子的激光减速与冷却 表l ：产生冷分子的方法。t 对应样品分子的温度，v 对应样品分子的速度，n 表示样品分子的数目。 实验方法 分子样品温度或速度数目 光缔合技术 r b 2 ，c s 2 ，h e 2 ，h 2 l i 2 ，n a 2 k 2 c 电 3 0 衅 2 1 0 5 r b c s n a c s ，l i c s ，l i r b f e s h b a c h 共振 l i 2 ，k 2 ，c s 2 ，r b 2 ，n a 2 ，c s 3 ，k r b5 0l 水 1 0 5 缓冲气体冷却 c a h c a e v o ，p b o ，n h n d ，c r h ，m n h 4 0 0m k 1 0 8 速度滤波器 h 2 c o ，n d 3 ，s 2 ，d 2 0 ，c 坞c nlk 1 0 9 s 静电s t a r k 减速 1 4 吗，1 n h 3 ，1 n d 3 ，1 5 n d 3 ，c o ，0 i i ， 5m k1 0 6 o d ，n h ，s 0 2 y b f ，h 2 c 0 ，c 7 h 5 n r e d b e 唱减速 h 2 - 1 0 e k i i i没有数据 塞曼减速 0 25 0 m s 1 没有数据 光学s t a 出减速 c 6 1 1 6 ，n o 2 9 5 或2 4 2m s 1没有数据 碰撞相互作用 n o ，k b r 4 0 0 m k l5m s 1 没有数据 机械方法 0 2 ，c h 3 f ，p e m 血砷甜c 7 0 或l lm s - 1没有数据 1 2 1 光子缔合技术 产生冷分子的方法可以分为两大类：一类是激光冷却后的原子聚合成双原子 分子；另一类是直接冷却分子束使其温度降低，这种方法适用于大分子或复杂分 子。从能量守恒和动量守恒的观点来看，利用原子间接产生冷分子需要与第三个 物体相互作用。如果第三个物体是光子，分子将通过光子缔合的方法产生；与第 三个物体碰撞也可以产生冷分子；此外，利用磁场使两个原子通过f e s h b h 共 振也可以转化成一个定态分子。光子缔合技术在1 9 8 7 年提出【1 0 】，1 9 9 3 年得到 了实验验证【1 l ，1 2 】。如图1 1 ， 相互碰撞的两个原子共同吸收一个光子，转化 成一个激发态的双原子分子，然而这个双原子分子的寿命很短，很快就会通过自 发辐射分解成原子。要想获得稳定的分子必须把他们从当前的振转激发态y 跃迁 到基态y 或更低的三重态，这个过程可通过自发辐射或感应辐射来完成。由于光 缔合技术可以提供分子势阱的长程曲线及低温原子的碰撞参数( 例如f e s h b h 共振的散射长度和位置) ，近二十年来它成为研究分子光谱的重要手段。 2 第一章中性分子的激光减速与冷却 图l - l 光子缔合技术原理，图片来自文献【9 】。 尺 1 2 2f e s h b a c h 共振技术 f c s h b a c h 共振也是一种利用超冷原子间接产生冷分子的方法。在超冷条件下 两个原子的碰撞由散射长度来表征，它随着分子间相互作用势的变化而变化。若 原子或合成的分子是顺磁性的，或者二者都是顺磁性的，这种相互作用势会随着 外磁场的变化而变化( 图1 2 ( a ) ) 。在特定的条件下，非定态原子对的能量和定 态聚合双原子分子的能量不同，这是发生f e s h b a c h 共振的必要条件。当磁场调 谐到f e s h b a c h 共振时，非定态原子对转化为定态分子，这一过程对应的散射长 度为正( a 0 ) ( 图l - 2 ( a ) ，l - 2 ( b ) ) 。定态分子的能量很低只有几m k 。目前用这 种方法成功地产生了双原子分子和三原子分子【1 3 】。 光缔合技术及f e s h b h 共振的优点是合成的双原子分子和合成前的原子具 有相同的温度；更重要的是用这种方法产生的分子样品具有很高的相空间密度。 相空间密度与分子密度及其热德布罗意波波长人有关p = 人3 n ，其中 人= ( h 2 彻 1 l 【b t y 2 ，办是普朗克常量，m 是粒子的质量，k b 是玻尔兹曼常数，t 是分子的温度。一般情况下，温度在l 量级，空间密度在n 1 0 1 3 c m 3 l o ”c m 3 即可以产生玻色爱因斯坦凝聚。2 0 0 3 年分子的玻色爱因斯坦凝聚首次在实验上 得到了实现【1 4 ，1 5 】。 3 第一章中性分子的激光减速与冷却 c 譬 甚 p c 叫 m a g n e t i c 曩e | d8 图l - 2 ( a ) 原子态及分子态的塞曼能级与外磁场b 的关系，在特定磁场下两者相交； ( b ) s 波散射长度a 的分开点；( c ) 弹性碰撞截面出现的共振峰，图片来自文献 9 】。 光缔合技术和f e s h b 砌l 共振的缺点是这种技术只能产生碱金属双原子分子， 和一种三原子分子( 见表1 ) ；此外用这种方法产生的分子都处于转动或振动激 发态，很不稳定，容易碰撞分解。因此能否找到有效的方法使这种不稳定的分子 低损失地跃迁到更低的振动态或转动态成为了问题的关键。2 0 0 8 年j d l e i g l l i l a y r 等人用光子缔合技术产生了l i c s 分子，且2 3 的分子通过自发辐射跃迁到了基 态【1 6 】。同年m v i t e 锄等人用宽带飞秒激光器把光子缔合的c s 2 重新分配到振动 基态v = 0 【l7 】。此外还有一些小组利用受激拉曼绝热过程( s 1 1 ra p ) 使f e s h b h 分子”地、r b 和c s 2 跃迁到他们的振转基态【1 8 】。图l 一3 为s t m a p 的基本原 4 m翻c够一翻cljm誊露皤 台coll=v岱谚皤吩凸lj 第一章中性分子的激光减速与冷却 理图【1 9 】，两束不同频率的激光使分子的初态和终态耦合，即这两束激光使在l 厂) 态布居的分子跃迁到lg ) 态。该方法可使8 7 的r b 2 分子跃迁到最低阶三重振转 态口3 ：，使8 3 的分子布居到振转基态。 el 尺，b o h r 阳d 骚 图l - 3r b 2 的能级及势阱曲线，利用两束激光通过拉比频率为q ，：的激发态i p ) 使 能级i 厂) 和i g ) 耦合，s l r i 凡心方法使在i 厂) 上的布居的分子跃迁到l g ) 态，图片来 自文献【1 9 】。 1 2 3 缓冲气体冷却 除了以上两种间接冷却法还有很多直接冷却方法，其中缓冲气体冷却是最普 适的一种方法。该方法只与原子或分子的弹性散射截面有关，因此它既可以冷却 分子又可以冷却原子。当粒子喷到缓冲气体室中，它们与低温氦气碰撞，发生能 量交换，从而达到与氦气近似相同的温度( 如图l - 4 ，其中3 h e 的温度为5 5 0 n 做) 。 一对反亥姆霍兹超导线圈缠绕在缓冲气体室外，形成一个球状四极磁场用于囚禁 缓冲气体冷却后的顺磁性分子。该装置可以冷却并囚禁c a h 、p b o 、c r h 、m n h 及n h 分子，该方法产生的分子数至少可达1 0 3 。此外，让分子从冷却室上的小 孔喷出，可以获得冷分子束【2 0 ，2 l 】。 第一章中性分子的激光减速与冷却 p u i s e d 8 0 r o nn i 们d e c o l dc e 图1 4 缓冲气体冷却原理。n h 分子入射到缓冲气体室与缓冲气体碰撞冷却，并 被囚禁在四极磁阱中，图片来自文献【9 】。 1 2 4 静电s t a r k 减速 目前s t a 出减速技术已经趋于成熟，利用极性分子与电场的s t a d 【相互作用已 实现了弱场搜寻态的亚稳态c o ( d 3 n ) 【2 2 】、n d 3 及n h 3 【2 3 ，2 4 】、o h 2 5 - 2 7 】及 o d 【2 8 】、亚稳态的n h ( 口1 ) 【2 9 】、h 2 c 0 【3 0 】及s 0 2 【3 l 】的减速；强场搜寻态的 亚稳态c o ( 口3 ) 【3 2 】、o h 【2 7 】、y b f 【3 3 】及氰苯分子也被成功减速。在s t a r k 减速中一定要分清分子是处在弱场搜寻态还是强场搜寻态，强场搜寻态的分子囚 禁在电场最大处，弱场搜寻态的分子囚禁在电场最小处。任何分子的基态都是强 场搜寻态。有一些分子态的s t a 出作用势较小，例如氨分子振动基态的i ) = 1 1 1 ) 态的删态。图1 5 ( a ) 是氨气同位素分子n h ，及1 4 n d ，的s t a 成效应。 弱场搜寻态极性分子的s t a 出减速原理与带电粒子线性加速器原理类似，不 同的是带电粒子线性加速器中粒子受力与粒子的电荷数及电场有关，而分子在 s t 破减速器中受力与分子电偶极矩及电场梯度有关。这种与量子态有关的力比 粒子加速器中粒子的受力小八个数量级，但它足够操控极性分子的运动。图l - 5 为一典型的s t a r k 减速装置，其中电极的直径一般为3 m m ，同一电极对中两电极 6 第一章中性分子的激光减速与冷却 的距离为2 m m ，相邻电极对的间隔为2 5 m m 。让奇数电极对接地，偶数电极对 在特定的时间段加高压，即可形成图1 5 ( b ) 所示的电场，币m e l 和t i m e 2 代表电 场切换的时间段。沿z 轴运动的分子在爬“山坡”的过程中被减速，在分子每次到 达山顶时关掉电场即可避免加速“下山 的过程。每爬一个山坡，分子的速度减 少一次。多次重复这个过程可以将分子的速度减小到任意值。分子每次减少的动 能与分子s t a r k 效应、电极间的电场梯度及电场关掉时分子的位置有关。s t a d ( 减 速器不是只减速单个分子，而是对有一定速度和空间分布的分子波包进行减速。 s t a r k 减速能产生空间分布好且量子态单一的分子波包。单一量子态是许多后 续实验的重要基础，比如用于精密测量的高分辨光谱，分子冷碰撞。s t a d 【减速 还可以分离核自旋同分异构体，比如。吡o n d 3 和p 撒n d 3 。强场搜寻态分子 的减速与弱场搜寻态分子类似，只是分子波包的横向聚焦比较复杂。 啊m e ln m e 2 ( a ) 鼍 圣 图l - 5 分子s t a d ( 减速实验方案，图片来自文献 9 】。 里德堡态分子的减速比较特殊。处于里德堡态的分子具有高达几千德拜的极 大电偶极矩，因此一对电极就足够使它们有效减速【3 4 ，3 5 】。这种减速已经成功地 7 第一章中性分子的激光减速与冷却 用在h 2 分子【3 6 】和氩原子【3 4 】上。利用里德堡减速器可以使氢原子静止，并在二 维或三维空间得到囚禁。由于里德堡态的寿命很短，分子的存储和探测都受到了 限制。若跃迁到基态是里德堡分子或原子衰减的主要途径，则该方法可以制备基 态冷分子样品。由于所有分子和原子都可以激发到里德堡态，所以里德堡减速可 能会成为制备基态冷分子或冷原子样品的普适而又独特的方法。 1 2 5z e e m a n 减速 电场可以操控极性分子，而磁场可以操控顺磁性分子。受静电s t a 一( 减速的 启发，类似的磁减速器也在实验上得到了实现( 图1 6 ) 。磁场与分子的相互作用 ( z e e m 卸效应) 使顺磁性分子的操控成为可能，然而如何迅速开关高强度磁场 在很长时间内都没能得到解决。2 0 0 7 年基态氢原子和氘原子的z e e m 孤减速首次 在实验上得到了实现。该实验开始只有六个脉冲磁减速段【3 7 ，3 8 】，后来增加到了 十二个【3 9 ，4 0 】，每个减速段由绝缘铜线绕成的7 8 m m 长的电磁铁组成，可产生 超过1 5 t 的磁场。绕成线圈的电磁铁在横向产生柱对称的力，防止分子横向扩 散。通过开启和切断线圈内的电流，磁场可在5 岬内产生或消失。6 4 级减速器可 以使亚稳态的氖原子【4 1 】及0 2 分子【4 2