远失谐微型光学偶极阱中单原子的俘获和操控.doc

远失谐微型光学偶极阱中单原子的俘获和操控
【摘要】：近年来,量子系统的相干操控无论在实验和理论上都获得了广泛关注,它的应用范围已从探索和研究基础的物理本质问题迅速扩展到量子通讯领域。许多物理系统都可以作为量子系统,例如超导环、量子点、被俘获的单离子、单原子等。单原子是一个完美的量子系统,借助于激光冷却技术可实现单个原子的冷却与俘获,相对离子或其它系统,单原子不易受外界电场和磁场的干扰,这种同环境弱耦合的特性对于其保持内态的相干性非常有优势。基于单原子的量子系统可以演示一些非经典效应,验证、完善量子理论；同时,经过扩展可以广泛应用于量子计算和量子通讯。例如,量子比特是|0态和|1态以及|0)和|1)的量子叠加态,基于单原子的量子比特可以实现信息的写入和读出；基于单原子量子比特的受控非门(CNOT门)是量子逻辑运算的基本构成单元,宏观数量的量子逻辑门可以实现量子计算；利用光与原子的纠缠,可以实现传递信息的飞行量子比特(光子)与存储信息的量子比特(原子)的相互作用,对实现量子网络和量子通讯具有重要意义。此外,基于激光冷却与俘获的单原子可以实现可控的单光子源,而单光子源是量子密码和量子线性计算的重要资源,在量子信息处理中具有重要意义。基于原子冷却与俘获的单原子制备和光学操控可以提供一个同环境充分隔离的实验研究平台。对于单原子的研究,可以使我们更深入、更准确地理解我们所处的物质世界及其相关的物理规律。单个原子的俘获和探测需要我们具备完备的理论和高精度的操控技术,在此基础上对俘获原子外部自由度和内部自由度的控制和有效探测,则是量子光学和冷原子物理的结合和应用。通过对阱的参数依赖关系的研究,人们设计出各种形式的磁光阱(MOT)；通过对MOT装载率的有效控制,人们实现了单原子的冷却与俘获。对于单原子的冷却与俘获,目前应用最广泛的方法主要有两种：(1)设计工作在特殊参数条件下的MOT,对MOT的装载率有效控制,实现少数原子甚至单原子的冷却与俘获；在此基础上,将冷却俘获的单原子转移到近保守的光学偶极阱中,完成后续的工作；(2)在常规MOT的基础上,首先冷却与俘获宏观数量的冷原子,再利用特殊设计的强聚焦的远失谐偶极阱在“碰撞阻挡效应”的帮助下从MOT中挑一个原子俘获到到光学偶极阱中来进行后续的实验。对于前一种技术路线,可以控制MOT的参数俘获并识别一定数目的原子,然后再转移到光学偶极阱中,在高效的转移条件下,确保光学偶极阱中是单个或确定数目的原子；当然,也可以利用合适的反馈控制回路,使MOT中大部分时间一直有效的俘获单个原子或确定数目的原子。对于后一种技术路线,需要对两个阱共同作用时的参数进行优化,使其工作在特定装载区域,实现单原子的俘获。MOT系统在冷却与俘获原子过程中,由于近共振光的存在,总是伴随着原子的吸收和自发辐射,上述过程会破坏俘获原子的内部自由度。光学偶极阱利用光与原子的偶极相互作用俘获预冷却的原子,特别是远失谐的光学偶极阱(FORT),由于俘获光的频率远离原子跃迁线,其散射率极低,因此FORT可以认为是近似的保守势阱。在这种势阱中,原子内态的相干性可以得到较长时间的保持；同时,利用光斑的强聚焦或者光的干涉效应可以实现多种构型的光学偶极阱,其阱的尺寸可以做的非常小,这有利于对原子空间局域化,实现外部自由度的控制。单原子的装载、识别和操控,主要是通过探测阱中原子与特定光场的相互作用来实现的。单原子本身信号极弱,容易受到背景环境的影响和调整精度的限制,原子与其辐射光场的量子特性很大程度受限于原子外态和内态相干性的好坏；俘获在FORT中的原子,由于碰撞和噪声加热会造成FORT中原子的能量积累,这会加热原子并且降低原子的俘获寿命。因此,我们需要考虑的问题是如何搭建实验系统获得有效的单原子源或确定数目的原子源,如何利用有效的温度测量技术来评价阱中单原子的等效温度,以及如何对阱中的单原子进行有效冷却,如何延长单原子在阱中的俘获寿命。综合以上若干方面,本文述及的本人在博士期间完成的主要工作概括如下：1).从理论上研究了MOT的装载率与MOT参数的依赖关系,以此为出发点,设计搭建了一套单原子磁光阱实验系统及荧光收集系统,并在实验中实现了单原子的俘获和探测；2).在MOT中实现单原子的激光冷却与俘获,并在实验中研究了MOT中平均原子数与MOT参数的依赖关系；3).研究了单原子辐射荧光的参数依赖关系和辐射光场的统计特性；4).理论分析了FORT中单原子的加热机制,并对FORT中原子进行了激光冷却。利用推广的释放再俘获方法(RR)方法测量了FORT中单原子的等效温度,并研究了等效温度与冷却参数的关系,冷却后获得单原子的典型等效温度约为17μK；利用优化的冷却参数降低光FORT中俘获原子的初始等效温度,在超高真空条件(-2x10-11Torr)获得了约130s的俘获寿命【关键词】：MOTFORI单原子光子计数HBT探测俘获寿命
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：O431.2
【目录】：摘要4-7ABSTRACT7-11目录11-15Content15-19第1章绪论19-271.1单原子的激光冷却与俘获简介19-231.1.1磁光阱俘获单原子20-211.1.2光学偶极阱俘获单原子21-221.1.3微型光学腔俘获单原子22-231.2基于单原子系统的量子信息过程23-261.3小结26-27第2章原子的激光冷却与俘获27-452.1磁光阱(MOT)28-322.2光学偶极阱(FORT)32-402.2.1光学偶极阱的经典模型33-362.2.2光学偶极阱的量子模型36-392.2.3光学偶极阱的多能级理论39-402.3单原子在FORT中的势能分布40-442.3.1一维FORT中单原子的势能分布40-412.3.2二维FORT中单原子的势能分布41-432.3.3三维FORT中单原子的势能分布43-442.4小结44-45第3章单原子的激光冷却与俘获45-613.1单原子的激光冷却与俘获45-483.1.1单原子磁光阱的参数依赖45-473.1.2利用碰撞阻挡效应俘获单原子47-483.2单原子磁光阱(MOT)48-583.2.1单原子磁光阱的超高真空系统49-513.2.2单原子磁光阱的激光系统51-533.2.3单原子磁光阱的四极磁场53-553.2.4单原子的荧光探测系统55-563.2.5单原子磁光阱的实验实现56-583.3单原子光学偶极阱(FORT)58-603.4小结60-61第4章单原子MOT和FORT的参数测量61-694.1MOT装载率与四极磁场梯度的依赖关系61-624.2MOT平均原子数与光场的依赖关系62-634.3FORT中的单原子俘获63-674.4小结67-69第5章单原子荧光信号特性69-855.1MOT中单原子的荧光信号信噪比的改善69-735.1.1理论分析69-705.1.2信噪比的改善70-735.2MOT中单原子的荧光特性73-765.3光场统计特性与关联函数76-835.3.1光场统计特性76-785.3.2不同光场的二阶关联度78-795.3.3FORT中单原子的荧光光子统计特性测量结果79-835.4小结83-85第6章FORT中单原子的俘获寿命和等效温度85-1116.1FORT光的噪声加热86-896.1.1FORT激光束强度噪声引起的原子加热86-886.1.2FORT激光束指向噪声引起的原子加热88-896.1.3FORT激光束的强度噪声加热模拟896.2FORT中单原子的激光冷却89-916.3FORT中原子激光冷却的动力学特征91-976.3.1光场中原子的运动91-936.3.2FORT中单原子激光冷却的动力学性质93-976.4FORT中单原子等效温度的测量97-1036.4.1常规冷原子等效温度的测量方法简介986.4.2单原子等效温度的测量方法简介98-1006.4.3FORT中单原子等效温度的实验测量和结果100-1036.5单原子在FORT中的俘获寿命103-1096.5.1单原子的俘获寿命测量103-1046.5.2由背景原子碰撞决定的FORT中原子的俘获寿命104-1056.5.3FORT光束强度噪声引起的加热105-1076.5.4FORT中原子俘获寿命的延长107-1096.6小结109-111第7章总结与展望111-113参考文献113-127博士研究生期间完成的学术论文和会议报告127-131致谢131-137个人简况及联系方式137 本论文购买请联系页眉网站。