（光学专业论文）冷原子eit介质中的原子记忆.pdf

中 文 摘 要 i 中 文 摘 要 近年来，由于相干光场与多能级原子相互作用发生的量子干涉效应，将会产生 多种很有意义的物理现象，因此光与原子相互作用成为了物理学中倍受人们关注的 一个重要研究内容。其中电磁感应透明效应（eit）可以使光的吸收减小、色散增强， 降低光脉冲的群速度1,2并将其压缩到原子介质中，这在理论和实验上得到了人们广 泛的研究。利用 eit 效应将光量子信息存储在原子介质中是目前量子信息科学的一 个重要研究内容3-5。 1975 年，德国科学家汉斯和美国科学家肖洛提出了激光冷却气体原子的概念， 同年，美国科学家提出了激光冷却气体离子的方案。随后人们利用激光冷却与俘获 中性原子技术实现了冷原子介质的制备。由于在热原子系综中不可避免的热运动所 导致的多普勒效应以及原子相互之间的碰撞所导致的退相干效应，将为进一步进行 原子物理的实验研究带来了众多的不利因素。而在冷原子系综中，由于原子处于较 低温环境中，由热运动引起的多普勒效应和退相干效应被很好的避免，因此在冷原 子系综中研究关于原子物理和量子光学的物理现象，已经成为人们近年来关注的热 点。 本文中主要介绍我们实验上用到的俘获 87rb 冷原子的 （mot） 磁光阱装置及实验 参数，并在 87rb 冷原子介质中利用电磁感应透明（eit）动力学过程将光脉冲存储在 原子两基态的相干性中，实现了光学脉冲的存储与释放。实验研究了耦合光功率对 光脉冲存储释放信号的影响以及在外磁场条件下 larmor 进动导致的释放信号崩塌 和复原现象6-8。通过光泵浦将原子制备在原子的某个确定的磁精细能级上，最终实 现了双通道光脉冲的存储和释放。本文主要介绍的工作有以下内容： 1) 具体介绍激光冷却俘获中性原子的原理,介绍了改进后的用于冷却与俘获 87 rb 原子的（mot）磁光阱装置。我们实验室利用收集荧光的方法测得了俘获的冷原 子数目约为 1010个，密度大约为 1011个/cm3；通过短程飞行时间法（time of flight， tof） ，在原子自由下落过程中获得探针光的吸收信号，理论拟合得到冷原子云的温 度约为 300k，该冷原子云能够作为较高质量的 eit 介质，满足了我们进行原子相 关的实验研究的需求9。 冷原子 eit 介质中的原子存储 ii 2) 在实验过程中，把同一台 795nm 半导体激光器产生的激光分为探针光和耦 合光，目的是为了提供较好的相干光束。为了使得探针光和耦合光分别作用在 5s1/2, f=15p1/2, f=1 和 5s1/2, f=2 5p1/2, f=1 的跃迁上（两基态 5s1/2, f=1 与 5s1/2, f=2 频率相差 6.8ghz） ，须将探针光频率相对耦合光蓝移 6.8ghz，我们采用了往返两次 穿过的声光频移系统将探针光的频率蓝移 6.8ghz。利用电磁感应透明（eit）动力 学过程将光脉冲存储在冷原子（eit）介质中原子两基态的相干性中6，实现了将探 针光脉冲在冷原子介质中的存储和释放。 3) 在冷原子（eit）介质存储实验中，研究了耦合光功率对光脉冲存储释放信号 的影响和在外磁场条件下 larmor 进动导致的释放信号崩塌和复原现象6-8,10。通过 光泵浦将冷原子（eit）介质中的原子制备在原子的某个确定的磁精细能级上，最终 实现了双通道光脉冲存储与释放 41。 关键词：磁光阱；冷原子；电磁感应透明；光存储；larmor 进动过程 abstract iii abstract in recent years, due to the quantum interference effect occurs of the interaction coherent and multi-level atoms, which will produce a variety of interesting physical phenomena. so the interaction of optice and atomic has become an important research in physics that is given attention. one effect of electromagnetically induced transparency (eit) can decrease the absorption and dispersion increased 1, reduce the group velocity of optical pulses 2 is compressed into the atomic medium, which has been widely research in theory and experiment. the optical quantum information stored in the atomic medium by using eit effect is an important research in quantum information science 3-5. in 1975, t.hansch and a.schawlow the concept of laser cooling gas atoms had be brought forward. the same year, the project of laser cooling gas atoms had be brought forward by u.s. scientists. then people use laser cooling and trapping technology to achieve the preparation of cold atomic medium. in the hot atomic ensemble, doppler effect caused by the inevitable motion of hot atomic and the decoherence effect caused by the collision between atomic,which will bring many negative factors in further experimental study of atomic physics. but atoms at a low temperature environment in the cold atomic medium, because doppler effect caused by the inevitable motion of hot atomic and the decoherence effect caused by the collision between atomic is well avoided. therefore, physical phenomena about atomic physics in the cold atomic medium became the focus, which have been gave attention in atomic physics and quantum optics. this dissertation introduce a magnetically-optical-trap (mot) experimental setup for cooling and trapping the 87rb atoms is used in our experiments and experimental parameters. using electromagnetically induced transparency the optical pulse is stored in two coherence ground state 8of memory of the cold atoms eit medium iv atoms, achieve the optical pulse storage and release 8 in 87rb atomic medium, study the retrieval signal as a function of the power of the coupling beam and the phenomenon of collapse and revival of the retrieval signal under the condition of ambient magnetic field. by using optical pumping the atomic population is prepared into desired single zeeman sublevel, then the four level ideal tripod system is constructed. in the atomic system we realized the dual-channel storage and release of optical pulse. 1) the theory of cooling and trapping the neutral atoms is reasoned out detailedly, and we introduce a reformative magneto-optical trap (mot) device for cooling and trapping the 87rb atoms. the number of cold atoms can be measured by detecting the power of fluorescence emitted from the cold atoms cloud. the results show that the density of the cold atoms is about 1011cm-3, and the number of the cold atoms is about 1010. by analyzing the absorption spectrum observed in the short-distance time-of-flight (tof) method during the cold atoms free falling. by theoretical calculating the effective temperature of the cold atoms cloud in the mot is about 300k. such cold cloud can be used as an eit medium, which fulfil the condition to do the experimental research about atoms. 2) in experiment, the laser beams from extended-cavity diode laser work at 795nm divide into coupling beam and probe beam. by doubling passing two aoms the frequency of the probe beam is shifted up 6.8ghz relative to that of the coupling beam, the probe and the coupling beams drive the transitions 5s1/2, f=1 to 5p1/2, f=1 and 5s1/2, f=2 to 5p1/2, f=1, respectively. by using electromagnetically induced transparency (eit) dynamics8 we realized the storage and release of the probe pulse in 87rb cold atoms. 3) in optical pulse storage experiment in 87rb atomic medium, study the retrieval signal as a function of the power of the coupling beam and the phenomenon of collapse and revival of the retrieval signal under the condition of ambient magnetic field. by using optical pumping the atomic population is prepared into desired single zeeman sublevel, then the four abstract v level ideal tripod system is constructed. in the atomic system we realized the dual-channel storage and release of optical pulse. key words: magneto-optical trap; cold atoms; electromagnetically induced transparency; optical storage; larmor precession process 51 承 诺 书 本人在此郑重声明：所呈交的学位论文，是在导 师指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于山西 大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。 本人在此郑重声明：所呈交的学位论文，是在导 师指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于山西 大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者（签章） ： 20 年 月 日 53 学位论文使用授权声明 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意山西大学可以 用不同方式在不同媒体上发表、传播冷文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名： 导师签名： 20 年 月 日 第一章 前 言 1 第一章 前言 原子俘获技术可以追溯到上个世纪六十年代激光出现以后，人们有了对光与原 子相互作用更为有力的工具。letokhov11和 ashkin12等人在六十年代末七十年代初 首先提出了中性原子在光场中将受到力的作用。1975 年，德国科学家汉斯和美国科 学家肖洛提出了激光冷却气体原子的概念，同年，美国科学家瓦引兰提出了激光冷 却气体离子的方案。随后人们利用激光冷却与俘获中性原子技术实现了冷原子介质 的制备。这为研究冷原子 eit 介质的相关特性提供了有力的基础。 在冷原子介质中，因原子处于较低温环境中，理想地降低了原子的无规则热运 动，避免了因为原子热运动引起的多普勒效应而导致原子跃迁谱线的测量精度不精 确，并且减弱了退相干效应，使得原子的量子相干效应很好的保持。研究相干光场 与原子相互作用以及相关有趣的物理现象已经成为原子物理和量子光学关注的热 点，近年来逐渐成为了物理学中倍受人们关注的一个重要研究内容。其中电磁感应 透明效应（eit）可以使光的吸收减小、色散增强，降低光脉冲的群速度1-2并将其压 缩到原子介质中，利用 eit 效应将光量子信息存储在原子介质中等等，这在理论和 实验上得到了人们广泛的研究，是目前量子信息科学的一个重要研究内容3-5。 电磁感应透明的概念最早是由 s.e.harris 等人在 1989 年提出13，类似的概念有 m.scully 等人随后也提出过14。1991 年， s.e.harris 等人实验上用锶原子作为相干 介质，将强激光照射在锶原子介质中作用在选择的 型三能级结构中，首次观察到 了的电磁感应透明现象15。随后观察到了铅蒸汽中阶梯型结构的电磁感应透明效应 16。随着人们在 eit 效应下，对吸收特性研究工作的逐渐深入，开始研究了介质的 色散特性，测量了 eit 介质的吸收和色散信号，如图 1.1 所示。 (a) ( ) ( ) 图 1.1 电磁感应透明效应示意图。 （a）图实现 eit 的三能级结构； （b） 图、 （c）图发生 eit 效应时，探针光的吸收和色散变化曲线。 冷原子 eit 介质中的原子记忆 2 进一步人们利用电磁感应透明（eit）动力学过程将光脉冲存储在原子两基态的 相干性中， 实现了光学信号的存储与释放。 1999 年， 由哈佛大学的 hau 等人利用 eit 效应，在超冷 na 原子 bec 中将光脉冲的群速度减慢至 17m/s1。之后，他们在光 减速的基础上，进而在原子系综中实现了光脉冲的存储和释放8。利用光与原子相互 作用中的 raman 过程， 哈佛大学的 lukin 研究组与加州理工学院 kimble 研究组有效 操地控原子的量子态，他们制备出量子关联光子对，并实现了关联光子对的存储 17,18。2005 年, 由 georgia 工学院 kuzmich 研究组在两个远距离的 eit 介质中实现 了单光子存储和释放19。由于外界杂散磁场的存在，使得原子能级发生多个 zeeman 分裂，多个 zeeman 子能级在外界磁场影响下拉摩尔（larmor）进动频率也将不同将 会破坏存储过程中的原子相干性，从而导致了原子记忆的崩塌与复原，是限制光储 时间的一个重要原因6,7，这样在通常情况下，冷原子介质中光脉冲存储的时间只能 达到几十个微秒20,21，目前相关的一些研究小组在努力延长光存储寿命。 本文中主要介绍我们实验上用到的俘获 87rb 冷原子的（mot）磁光阱装置及实 验参数，并在 87rb 冷原子介质中利用电磁感应透明（eit）动力学过程将光脉冲存储 在原子两基态的相干性中8，实现了光学脉冲的存储与释放8。实验研究了耦合光功 率对光脉冲存储释放信号的影响以及在外磁场条件下 larmor 进动导致的释放信号 崩塌和复原现象6,7。通过光泵浦将原子制备在原子的某个确定的磁精细能级上，最 终实现了双通道光脉冲存储与释放 41。 第二章 87rb 冷原子 eit 介质制备及基本实验参数 3 第二章 87rb 冷原子 eit 介质制备及基本实验参数 本章介绍了激光冷却俘获中性原子的原理和我们实验室改进后的用于冷却与俘 获 87 rb 原子的（mot）磁光阱装置。在实验过程中通过收集荧光法测得了俘获的冷 原子数目约为 1010个；测量了原子云大小，计算出原子云密度约为 1011个/cm3；通 过短程飞行时间法（time of flight，tof） ，在原子自由下落过程中获得探针光的吸 收信号， 理论拟合得到冷原子云的温度约为 300k9。 俘获得到的冷原子云能够作为 较高质量的 eit 介质，满足了我们进行原子相关的实验研究的需求。 2.1 冷原子介质背景介绍 物理学是研究物质运动和变化规律及物质基本结构的一门学科。在具体的研究 过程中为了准确的理解和把握物质的内在属性，需要对具体的研究对象进行认真细 致的观测与测量。最理想的的观测和测量方式是要求被测的物质最好是静止不动的， 然而在现实中静止不动是不可能的。宇宙万物都在运动，静止只是一个相对意义上 的概念。物质运动是绝对的、永恒的，人们只能从意识上去主观的定义某一物体是 静止的。 在室温情况下，构成物质的分子和原子都在作高速且无规则的运动，在这种状 态下进行某一精密测量显得比较困难。 根据分子运动论， 由公式 2 b 3k t 2m2 （其 中 b k是玻尔兹曼常数，t代表的是气体的温度，m是分子（或原子）的质量， 是 分子（或原子）的运动速率）可以看出：气体的温度与分子（或原子）运动速率有 关，即：温度越高，分子（或原子）无规则运动速率越大。这里举一个简单的物理 实事： 常温状态下空气中的氢气以速率为2km s作运动， 即使是在降低温度为 3k （摄 氏温度为-270）情况下，仍然以速率为 200m s运动。要对运动如此之快的粒子进 行观测与测量，可以想象的出来其难度有多高，而且由于测量的不准确引入的测量 误差更是无法避免的，谈及精确测量可谓是“天方夜谭” 。另外，由于分子（或原子） 无规则的高速运动还会引起分子（或原子）之间的频繁碰撞，碰撞时分子（或原子） 之间无限地接近，彼此将存在极大的相互作用，将改变分子（或原子）原来的内在 属性。这样为研究分子（或原子）本身的结构、特性以及具体运动和变化规律难免 带来偏差，使得人们所把握的物质规律与其具体实事不相吻合。物理学家们在研究 过程中不断地探索物质的客观规律的同时，也不断地寻求一种使得物质运动速率降 冷原子 eit 介质中的原子记忆 4 低甚至是静止不动的方法，以便能够对研究对象进行精确地测量和观测，弄清楚具 体的客观规律。要使分子（或原子）完全静止不动，必须是让分子（或原子）的温 度达到t=0 k（摄氏温度为-273） ，在宇宙中虽然存在这一绝对温度，但是以人类 现有的技术水平是无法将温度降到绝对零度，只能无限的趋近绝对零度。也就是说 人们在只能在温度 t0 k条件下去研究具体的物理学问题。 利用激光冷却技术可以将原子冷却到k 甚至是nk数量级。激光冷却中性原子 的思想源于光对物体存在光压，即光对物体有力的作用。早在19世纪后期，英国 物理学家麦克斯韦首次对光具有力学效应做了科学地论证；1873年，他出版的 treatise on electricity and magnetism书中，论证了“光是横向振动的电磁波”的结 论，而且提出“电磁场具有辐射光压”这一概念。直到上个世纪初，俄国科学家列别 捷夫1900年做出了光照射金属片，引起金属片转动的实验，才使得光压的存在在 实验上得以证明22。同样的，美国科学家nichols 和hull23,24等人也得到相似的实 验结果，但由于光压的作用效果太弱，难于被真正的应用于研究某些具体的物理学 问题。 20世纪60年激光器的诞生，为科学家提供了高功率、单一频率的理想光源，人 们观察到了光对原子作用的显著效果。而且在1975年，由t.hansch和a.schawlow率 先提出了激光冷却中性原子的基本思想25。 随后的几年， 激光技术取得了显著提升。 在混合力阱思想的启发下，dalibard（曾是cohen-tannoudji在巴黎高师的学生）提 出用不均匀磁场和光压力相结合构建原子阱，1985年bell实验室steven chu小组和 mit的pritchard小组采纳了dalibard的思想并合作实现了中性原子的激光冷却俘获， 这就是人们熟知的磁光阱（mot）26。他们采用“释放和再俘获（release and re-capture）”方法测得冷原子温度约为240k。随后在1988 年，p. lett27等人提出 了一种性的测量温度的方法即飞行时间测量法（time-of-flight, tof）。测量时将mot 关闭，这时磁光阱中冷原子云由于只受到受到重力场作用而自由下落，冷原子团下 落过程中会发生膨胀。在t时刻冷原子团将继续下降穿过探测光，利用探测器来探 测冷原子团自由下落穿过探测光过程中产生的tof吸收信号，最终推算出冷原子的 温度信息。这种方法应用广泛，但是仅适用于冷原子团下落距离比较大的情况。直 到2002年，brzozowski提出了可以在较小的腔体内方便地测量出冷原子温度的方法 -短程飞行时间法（tof）测量冷原子温度的方案28。，该方法是在原子团正下方一 定距离处入射一束弱探测光，将探针光锁定在原子共振吸收处，同样也是mot关闭 后，原子团膨胀并且自由下落经过该探测光束，利用探测器探测探针光此时的吸收 第二章 87rb 冷原子 eit 介质制备及基本实验参数 5 信号来获取冷原子温度信息。通过理论拟合，得到冷原子样品的温度9。 近年来在国内也先后实现了原子的冷却与俘获29-36，也做了冷原子基本参数的 测量工作。例如：北大俘获和冷却了cs 原子，测量得到冷原子的数目约为108 个， 密度约为1011 个/cm3，他们测量得到冷原子温度约为150k。山西大学光电研究所 采用短程飞行时间法（tof）测得冷却和俘获的cs 原子温度约为68k。我们实验 小组在磁光阱中俘获和冷却得到了87 rb冷原子样品介质。 测的原子数目约为1010个， 原子云密度约为1011个/cm3，采用短程飞行时间法测得冷原子87rb样品的温度约为 300k9。 2.2 原子冷却原理 37 2.2.1 光子与原子作用原理 2.2.1 光子与原子作用原理 物体在光照射下将受到光压的作用，设单位时间内作用于物体单位面积上 的光子数有 n 个，如果光子作用在物体表面后全部被吸收，则光子动量变为零， 那么物体受到的光压就可以表示为 =pnhc (2.1) 式(2.1)描述了在光场中物体受到的光压大小与到达物体的光子数成正比，即光子数 越多，物体受到的力越大。这里假设光子作用在物体表面后全部被吸收，事实上并 非如此简单。这里只给了定性的描述，具体的光与原子相互作用过程要比这复杂的 多，详细的推道过程可参照由北京大学出版社出版王义遒主编的原子的激光冷却 与俘获一书。以下就光与原子相互作用只给出结论性的表述。 为了便于理解，这里在静止二能级系统中来讨论光与原子作用过程。如图2.1， 1为基态，2为激发态。将一束单模激光调频在12共振跃迁线上，基态1上 的原子吸收共振光跃迁到激发态2上，处于上激发态的原子不稳定，又通过自发辐 射回到基态，过程中原子自发辐射是以原子为中心向空间四周发散荧光， 。设原子吸 收了一个光子后动量变为kh，自发辐射后回到基态后动量变为零。 2 1 kv + 图 2.1 原子共振吸收单模激光 冷原子 eit 介质中的原子记忆 6 引入密度函数，理论推导出在光场中原子布局数对应的光学布洛赫方程，进而求出 原子在光场中受的力为： 222 ()2 2()(2)2 a a f + = + + v h （2.2） 光场对原子的作用力可分为两部分 相位梯度 电场梯度 如图2.2在平面波场中， 原子吸收光子的方向是确定的， 而吸收光子之后自发辐 射出光子的方向是四面八方的，且空间沿任意方向的辐射概率是均等的。激光冷却 原子是用共振光作用原子的，原子吸收光子跃迁到上激发态将要通过自发辐射回到 基态， 而且自发辐射速率很快。 能量不断地从吸收光子而转向自发辐射场 （真空场） ， 过程中不断有能量耗散，故定义 1 f v 为耗散力，也叫散射力或辐射压力。 2 1 222 2 242 fk = + vv h （2.3） 散射力 1 f v 与激光光场相位梯度有关，即表示物理意义是在单位时间内原子吸收光子 总动量，不难看出 1 f v 的方向同光子的动量方向相同。由于原子在平面光场中吸收光 子动量的方向总是定向的，原子共振吸收光子后将跃迁到激发态，处于激发态的原 子并不稳定，要从激发态通过自发辐射向各个方向辐射荧光，这样沿空间各个方向 产生光子数概率相同。所以，散射力 1 f v 的大小就等于作用原子的激光光场中所有光 kh 图 2.2 原子共振吸收单模激光后又自发辐射 1 222 2 2()(2)2 = + + v h a f 2 222 () 2()(2)2 = + + v h a a f 第二章 87rb 冷原子 eit 介质制备及基本实验参数 7 子动量的变化值。 式（2.3）中拉比频率与原子共振作用的激光光强 i 有关系 2 sat ii = （2.4） sat i是饱和光强， a =，那么原子受到的辐射压力为： 2 2 1 4 1 2 + = sat sat i i i i kf r h v （2.5） 分析式（2.5）可知：辐射压力的大小与共振激光光强有关。当激光光强较弱时，辐 射压力的大小正比于光场的强度；而当激光光强i由0 不断增大时，过程中原子 受到的辐射压力将趋近于最大值2kh，原子所对应的自发辐射几率为2，这时 i sat i时，在静止的二能级系统中，基态1和激发态2上的原子布居分布相等，均 为21，即辐射压力存在饱和效应。另外辐射压力是一种耗散过程，由于自发辐射过 程是不可逆过程，直接导致了这个力的作用也是不可逆的，正因为如此它在原子冷 却和减速扮演着重要的角色。 这里定义 2 f v 为偶极力： 22 2 2222 2 222 4(2)2 4(2)2 f i i = + + = + + v h h （2.6） 分析（2. 6）式可知： 2 f v 的大小正比于空间光强的相对梯度i i，且没有饱和效应。 对于平面波场由于光场空间辐射是均匀的，对应求梯度为零，故偶极力也为0。但是 实验用到的激光束是典型的gauss场，激光对原子有偶极力的作用。把激光看当作 无数个单模平面光场的叠加，即激光的频率虽然相同，但是模不同。这样原子可以 在一个模式下吸收光子，而在另外其他模式下释放出之前吸收的那个光子。过程中 因为激光的频率相同，所以原子能量是没有发生的化，但是激光的不同模式各自方 向不经相同，导致传递光子的方向就不同，最终引起动量的变化，即原子感受到光 场力的作用。 2.2.2 optical molasses 冷却技术 2.2.2 optical molasses 冷却技术 利用六束激光在空间三维方向两两对打，激光频率调整为原子共振频率负失谐 处，如果原子静止，将受到一对平衡的力；若原子是运动的，由于多普勒效应光对 冷原子 eit 介质中的原子记忆 8 原子的作用力就不再是平衡力。 图2.3原子是运动的，1为基态，2为激发态。将一束单模激光调频在12共振 跃迁线负失谐上。去z方向做一分析： （1）当原子向+z方向运动时，由于多普勒效 应原子迎着激光传播方向运动，原子受到激光的频率将正向偏移k ，这个时候对应 的 a k =+； （2）原子背迎着激光传播方向运动，原子受到激光的频率将负向 偏移k ，对应的 a k =。这样与原子运动速度相反的激光光束接近原子跃 迁共振频率，这样原子将吸收这个激光束中较多的光子后通过自发辐射，使得动量 减小而最终被减速。其所受到的力表示为： ()() 2 molassesscatascata ffkfk f k =+ = （2. 7） 上式中 a =， 为阻尼系数， （2. 8） 激光充当阻尼力的作用，就形如是固体小粒被投放入某粘性液体里运动速度慢 下来一样。六束激光在三个相互正交的方向上两两对射将原子冷却，形象的称之为 z 图 2.3 一维光学粘团中， 光场对原子的作用 f=- -kv +kv 1 2 22 2 2 2 2 / 2()/ 2 1/4/ 2/ 4 1 (2/) = = + = + h h sat sat sat f k ii kk ii i k i 第二章 87rb 冷原子 eit 介质制备及基本实验参数 9 optical molasses。实验中通常情况下光强远小于饱和光强1/， 1 j m= +对应的磁精细能级向上 （正向） 发生分裂， 1 j m= 对应的磁精细能级向下（负向）发生分裂；在z0处，b0处，偏振为 的激光作用在 01,1 jjm mm= = 的原子跃迁上， 图 2.5 mot 中光场对原子的作 1 1+ 0 z 1j= 0j= 0f 0f ，a1-a5，b1-b3分别是5p1/2, f=1， 5s1/2, f=1和5s1/2, f=2的磁子能级，如图3.15所示。图中基态磁子能级产生分裂是由 于磁场作用下的zeeman效应。探针光和耦合光均为左旋圆偏振光，探针光功率为64 w，耦合光功率为1.14mw。分别作用在5s1/2, f=15p1/2, f=1和5s1/2, f=2 5p1/2, f=1的跃迁上。 从图中可以看出探针光与耦合光形成两个型eit系统， 分别是|a2- |e2-|b1 和|a3- |e3-|b2，我们将利用这两个型eit系统进行光脉冲存储和释放 的理论和实验研究，时序控制如图3.6所示。 图3.15 87rb原子中进行光存储实验的能级结构， 其中实线为耦合光，点线为探针光。 冷原子 eit 介质中的原子记忆 28 由于外界磁场的影响， 原子的zeeman子能级发生分裂， 两个型eit子系统的基态 不再简并。在存储过程中，两个自旋极化 1 b 2 a 和 3 2 a b 均发生拉莫尔进动，由于两个 eit子系统的基态非简并，两个自旋极化进动的频率也不同。经过存储时间后，两 个自旋极化间的相对相位可以用 l 2来表示， 其中h2/bg jbl =是拉莫尔进动 频率， b g是朗德因子， j 是玻尔磁子， b 是磁场强度。 l 2是两个eit子系统zeeman 相干的频率差，即跃迁a2-b1与a3-b2的频率差。 这样当打开耦合光去读原子的自旋极化时，读出光信号的强度将随存储时间出现崩 塌复原现象如图3.16所示。保持探针光和耦合光功率不变，在不同的轴向磁场强度 下，释放信号强度随存储时间的变化。图3.16（a）、（b）、（c）、（d）分别是 磁场强度为60mg、100mg、200mg、 250mg时，释放信号强度随存储时间的变化 关系。 从图 3.16 中可以看出释放信号随存储时间出现周期振荡。随着轴向磁场的增 图 3.16.（a）、（b）、（c）、（d）分别是轴向磁场强度为 60mg、100mg、200mg、 250mg 时释放信号强度随存储时间的变化关系。 0102030405060 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 signal intensity(arb.units) time(s) ) 0102030405060 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 signal intensity(arb.units) time(s) ) 051015202530 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 signal intensity(arb.units) time(s) ) 051015202530 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 signal intensity(arb.units) time(s) ) (a) (b) (c) (d) 第三章 87rb 冷原子 eit 介质中光脉冲存储与释放研究 29 大，振荡周期减小。图3.16（a）、（b）、（c）、（d）中的振荡周期分别为20us， 14.55us，4us，3.14us， 对应的轴向磁场强度大小为60mg、100mg、200mg、 250mg。 在不同磁场下释放信号的振荡周期可以用bgt jbl h=来表示，根据这个公式我 们计算了磁场强度为60mg、100mg、200mg、250mg时释放信号的振荡周期，分 别为 11.90us，7.14us，3.57us，2.86us。以上表明在强磁场下实验所测的larmor 周 期与理论计算较好的吻合如图（3.17）所示。 在弱磁场下实验数据与理论结果不能很好的符合，我们分析其原因，认为主要 是由于在外界杂散磁场的影响下量子化轴不能被很好的确定。所以在做光信号存储 与释放过程中，克服杂散磁场的影响确定量子化轴极为重要。 3.2.4 磁精细能级态的制备 3.2.4 磁精细能级态的制备 在冷原子介质中， 研究量子光学和量子信息必需要考虑zeeman子能级之间的影 响。比如在光量子存储，量子相位门，光与原子的纠缠47-48等实验中，就要求将原 子制备在某一个特定的zeeman子能级上，以构成较纯净简单的能级结构，排除 zeeman子能级之间相互的不良影响。通常情况下，冷原子中存储时间一般为几十微 秒，因为在外磁场条件下 larmor 进动导致的释放信号崩塌和复原现象6,7,10 ，限制 了存储时间 49。 我们在存储实验过程中为了避免 larmor 进动导致释放信号的崩塌和复原，通过 光泵浦将原子制备在原子的某个确定的磁精细能级上 50。 图 3.17 轴向磁场强度分别是 60mg、100mg、200mg、250mg 时， 实验测得释放信号振荡周期（黑色点）和理论拟合曲线（红色实线） 冷原子 eit 介质中的原子记忆 30 采用如图 3.18 所示时序控制，每个实验周期为 1s。在每个周期，首先打开磁光 阱(冷却光、再泵浦光、磁场)持续 900ms，对 87rb 原子进行俘获和冷却。关掉磁光 阱的同时沿 z 方向加磁场以确定光与原子相互的量子化轴，并同时将一束左旋圆偏 振泵浦光作用于 rb 原子的 5s1/2f=15p3/2f=1 跃迁线上（即b1e2 ，b2e3跃迁 线上） ，使原子绝大多数到达基态b3,如图 3.19 所示。关闭磁光阱 300s 后(为了避 免磁场不能彻底关断对实验的影响)开启作用在5s1/2, f=25p1/2, f=1的跃迁上右旋 圆偏振耦合光，使基态5s1/2, f=1上的原子制备到m=+1（即b3）上。98s 后将探针 光（右旋圆偏振）锁定在5s1/2, f=1 5p1/2, f=1的跃迁上，脉宽为 1.6s 射入到冷 原子云，当探针光脉冲大部分被压缩到冷原子云中时，399.6s 同时关断泵浦光、写 光、探针光，这时探针光脉冲被存储到原子介质中。 从图3.19中可以看出，通过光学泵浦之后探针光与耦合光形成一个三能级型 图 3.19 光泵浦用的能级图 图 3.18 光泵浦用的时序控制图 第三章 87rb 冷原子 eit 介质中光脉冲存储与释放研究 31 eit系统|a4- |e2-|b3。 存储过程中形成的自选极化 a4b3 对应的 larmor 进动频率唯 一，将不会因为多个自旋极化进动的频率也不同而引起释放信号崩塌和复原。实验 测得光泵浦前后释放信号的变化情况，如图 3.20 所示，圆点是光泵浦后一个三能级 型eit系统|a4- |e2-|b3释放信号， 释放信号没有出现崩塌和复原现象(信号存在 波动是由于外界磁场突然变化引起的信号抖动)；方块是没有光泵浦，|a3- |e1-|b2 和|a4- |e2-|b3两个三能级型eit系统由于 larmor 进动释放信号出现了崩塌和 复原现象。 3.2.5 双通道存储实验模型及实验结果3.2.5 双通道存储实验模型及实验结果 4141 双通道存储实验就是利用光学泵浦将原子制备在一个确定的 zeeman 子能级|a 上，如图 3.21 所示。 0246810121416 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 retrieved signal amplitude (a.u.) storage time ( s) 图 3.20 光泵浦前后释放信号对比。圆点是光泵浦后一个三能级 型 eit 系统|a4- |e2-|b3释放信号；方块是没有光泵浦|a3- |e1-|b2和|a4- |e2-|b3两个三