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【信息技术】微纳光纤及其应用进展(6):冷原子的捕获和传导
醉卧青云 2015-11-27
导语

微纳光纤周围的倏逝场还可用于冷原子的捕获和传导。


纳光纤周围的倏逝场还可用于冷原子的捕获和传导。由于倏逝场在微纳光纤周围分布不均匀,与原子相互作用后产生梯度力,在梯度最大处等效光学势取极值。等效光学势的表达式为:U=ÑW2/D,其中W为拉比频率,D为光的频率相对原子跃迁频率的失谐量。故红失谐的入射光将对原子产生吸引力,为原子围绕微纳光纤运动提供了向心力,而原子将被约束在梯度最大的半径附近,绕微纳光纤做圆周运动,如图15a所示。
             

图15 微纳光纤用于冷原子的捕获和传导。(a)红失谐的入射光对原子产生吸引力,为原子绕微纳光纤的圆周运动提供向心力;(b)原子在红失谐的入射光和蓝失谐的入射光共同作用下被捕获。

V. I. Balykin 等设想了图15a所示的冷原子捕获方案,并对直径为400 nm的氧化硅微纳光纤在通有1.3 mm的圆偏振光时用于冷原子捕获进行计算[86]。结果表明,激光功率为27 mW时可实现对温度低于0.29 mK的铯原子的捕获。当旋转量子数m=230时,捕获的铯原子被约束在围绕微纳光纤的半径为500 nm的圆柱面内,原子绕微纳光纤的圆周运动速度约0.22 m/s。从而,微纳光纤有可能实现冷原子沿微纳光纤径向的捕获和沿微纳光纤轴向的传导。

上述方案中,为了避免光纤壁对原子的范德华力而引起的吸附,采用了圆周运动产生的等效离心力以远离微纳光纤壁。为了实现较深的捕获势阱,失谐量应尽可能的小。此时,原子与光的相互作用很强,有很大的几率吸收光子。吸收光子时,原子的反冲动量较大,容易从势阱中逃逸,从而造成较短的捕获时间和较短的相干时间。

为了避免上述问题,F. L. Kien 等提出了用双色光场实现冷原子捕获的方案[87]。如图15b所示,此时,蓝失谐光对原子产生排斥力,以使得原子远离光纤壁。在捕获位置处,排斥力与红失谐光产生的吸引力平衡。

计算结果表明,即使采用圆偏振的失谐量较大的蓝失谐光和红失谐光,依然能实现较深的捕获势阱,原子将被约束在远离光纤壁的平衡位置附近,即捕获势阱底部。此时,调节红失谐和蓝失谐光的功率可改变平衡位置以及捕获势阱的深度。若捕获光为线性偏振,模场分布不再是圆对称性,此时,原子将被捕获在平行于微纳光纤的两条平行线附近。

由于在双色光场捕获方案中采用大失谐量的激光,原子吸收光子的几率大大降低,不容易从捕获势阱中逃逸,从而有着较长的捕获时间和较长的相干时间。例如,使用直径为400 nm的氧化硅微纳光纤,和功率为30 mW的1.06 mm波长红失谐光和29 mW 的700 nm波长的蓝失谐光,可实现阱深为2.9 mK的铯原子捕获,其相干时间为32 ms,捕获寿命为541 s。

(未完待续)

(本文原创,作者清华大学李宇航博士,授权发布)


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  • 冷原子
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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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