多能级冷原子系统中EIT增强非线性效应的研究报告

1、.多能级冷原子系统中EIT增强非线性效应的研究【摘要】：光与原子的相干作用是物理学中一个重要的研究内容,利用相干光场和多能级原子作用过程中的量子干涉效应,能够产生很多有意义的物理现象。其中,电磁感应透明(EIT)效应受到人们的普遍关注,由于EIT介质具有吸收降低,色散变化剧烈等特点,在理论和实验上得到了人们广泛的研究。在热原子蒸汽中进行原子物理的实验研究。原子热运动导致的多普勒效应以及原子之间相互碰撞导致的退相干效应给实验带来了许多不利的影响。随着激光冷却与俘获中性原子技术的发展,冷原子介质作为研究对象已经成为原子物理和量子光学关注的焦点。本文主要介绍我们实验上建立的一套俘获(87)Rb冷原子

2、的磁光阱装置,利用EIT效应在俘获得到的冷原子介质中观察到了多暗态现象,进行了冷原子中磁精细能级的制备和测量,研究了暗态之间的相互作用和触发光对探针光增强的非线性效应,并对该磁光阱系统进行改造,实现了光脉冲在冷原子介质中的存储和释放。本文完成的工作主要包括以下内容:1)简单介绍了激光冷却与俘获中性原子的原理,详细介绍了一套用于冷却与俘获(87)Rb原子的磁光阱装置。实验采取收集荧光的方法测得了俘获的冷原子数目,并根据冷原子云尺寸推算出了冷原子云的密度。通过在冷原子团下方4mm,7mm,10mm三处入射圆柱形探测光束,在原子自由下落过程中获得短程飞行时间(TimeofFlight,TOF)吸收信

3、号,通过数值拟合得到冷原子云的温度。结果表明:俘获的冷原子数目大约为109个,密度大约为10(11)个/cm3,冷却温度约为200K,该冷原子云能够作为很好的EIT介质,用于我们进行原子相干的实验研究。2)观察冷原子介质中的多暗态现象,进行磁精细能级的制备和原子基态布居分布的测量。在多Zeeman子能级的冷原子系统中,由于不同Zeeman子能级之间的跃迁强度不同和选择定则的限制,仅仅采用一束耦合光和一束探针光就可以构成两个宽度不同的EIT系统和一个吸收系统,并且观察到探针光的多个透明窗口。在原子系统中通过对泵浦光选择合适的偏振方向和入射方向,可以将原子高纯度的制备在原子基态的任意Zeeman子

4、能级上。通过入射一束圆偏振的探针光,对原子的布居分布进行非破坏性的测量。这样的技术可以用于在冷原子中进行的量子信息和量子光学的实验之中。3)暗态间的相互作用和两束光场之间的非线性交叉相位调制。在冷原子介质中,利用态制备技术将约为95%以上的原子制备在基态的一个Zeeman子能级上,选择合适偏振方向的探针光,耦合光和触发光构成一个理想的四能级Tripod结构。在耦合光和触发光的频率均为共振的条件下,两个暗态之间相互作用,同时伴随着增强的非线性效应,并利用M-Z干涉仪测量了探针光的相位变化。调节触发光的光强,可以实现对探针光场的交叉非线性相位调制,得到的交叉Kerr非线性系数最大为7.2×

5、;10(-5)cm2/W,产生的非线性相移为1×10(-2)rad,该结果朝实现量子相位门的目标迈进了一步。4)高光学厚度的磁光阱系统。由于原有磁光阱装置俘获冷原子介质的光学厚度较低,不能满足实验的进一步要求,我们通过将冷却光的光斑直径扩大到22mm,采用锥形功率放大器(TPA)系统将冷却光的功率进行放大,获得高光学厚度的冷原子介质,通过收集荧光法和短程飞行时间法测量,得到冷原子云的尺寸为8×8×6mm3,冷原子数目约为2.6×10(10),温度约为250K,数学拟合探针光穿过冷原子云的透射信号,得到俘获冷原子云的光学厚度为11。为了进一步的提高冷原子介

6、质的光学厚度,将四级磁场的梯度由8G/cm逐步提高到20G/cm,对磁光阱进行了压缩,测量得到冷原子云光学厚度为16,温度约为300K。5)在高光学厚度的冷原子云中,将一台半导体激光器产生的激光分为探针光和耦合光,并采用往返两次穿过的声光频移系统将探针光的频率偏移6.8GHz,观察到探针光脉冲在冷原子介质中的存储和释放信号,并研究了释放信号的强度随参量变化的依赖关系。其中创新性的工作包括:.利用原子中不同Zeeman子能级间跃迁强度的不同,在冷原子介质中观察到了热原子中观察不到的多暗态现象,在此基础上,通过选择不同偏振组合的耦合光和泵浦光,将原子高纯度的制备在任意一个磁精细能级上,提出并演示了

7、一种测量原子磁精细能级布居分布的全光学方法。.利用态制备的技术,在冷原子介质中,将95%以上的原子制备在一个特定的Zeeman子能级上,选择合适偏振组合的探针光,耦合光和触发光,构成一个理想的四能级Tripod结构。在触发光和耦合光均为共振的条件下,研究暗态之间的相互作用,测量触发光对探针光的非线性交叉相位调制。.通过扩大冷却光的光斑直径,采用锥形功率放大(TPA)系统将冷却光的功率进行放大,获得了高光学厚度(OD=11)的冷原子介质,并测量了俘获的冷原子数目和光学厚度随冷却光功率变化的依赖关系。四级磁场的梯度由8G/cm逐步提高到20G/cm,进一步压缩磁光阱后,可以将光学厚度进一步提高到1

8、6。【关键词】：电磁感应透明磁光阱多暗态Tripod系统交叉相位调制光学厚度【学位授予单位】：XX大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：O431.2【目录】：目录4-10摘要10-13ABSTRACT13-16第一章引言16-251.1电磁感应透明效应简介16-191.2电磁感应透明效应的应用19-241.2.1光脉冲减速和存储19-221.2.2EIT增强的非线性光学效应22-241.2.3EIT效应的其它应用241.3本文的主要内容24-25第二章冷原子EIT介质的基本参数的测量25-402.1背景介绍25-262.2光场对中性原子的作用力26-322.2.1光子与原

9、子作用的物理图像26-282.2.2光学粘团28-302.2.3磁光阱30-322.3俘获冷原子的实验装置32-352.4冷原子数目和密度的测定原理和结果35-372.5冷原子温度测量原理和结果37-392.6时序控制392.7小结39-40第三章冷原子介质中多暗态现象的观察和磁精细能级的制备与测量40-593.1背景介绍40-443.1.1多暗态现象40-413.1.2磁精细能级的制备和测量41-443.2冷原子介质中的多暗态信号44-513.2.1多暗态信号的实验观测44-473.2.2冷原子介质中多暗态信号的理论解释47-513.3冷原子介质中磁精细能级的制备和测量51-583.3.1实

10、验观察51-553.3.2多暗态信号的理论拟合55-573.3.3任意磁精细能级的制备和测量57-583.4小结58-59第四章理想四能级Tripod结构中增强非线性效应的研究59-754.1背景介绍59-614.2能级描述61-634.3暗态间的相互作用63-664.4交叉Kerr非线性效应的测量66-734.4.1Mach-Zehnde干涉仪66-704.4.2交叉Kerr非线性效应的观察70-734.5小结73-75第五章高光学厚度磁光阱系统75-945.1获得高光学厚度冷原子介质的意义75-765.2磁光阱中原子密度的限制因素76-805.2.1暗磁光阱(darkMOT)77-785.2.2雪茄型磁光阱78-795.2.3磁光阱-大光斑俘获79-805.3高光学厚度磁光阱80-935.3.1激光锥形功率放大器(TPA)80-825.3.2理论分析82-835.3.3高光学厚度冷原子云(87)Rb)的获得83-855.3.4原子数目的测量855.3.5冷原子云光学厚度的测量85-885.3.6冷原子云温度的测量88-895.3.7压缩磁光阱89-905.3.8时序控制90-935.4小结93-94第六章冷原子介质(87)Rb)中光存储的初步观察94-1086.1利用EIT效应进行光存储的原理95-98