冷原子束或超冷原子束产生的研究进展

冷原子束或超冷原子束产生的研究进展

1冷原子束的制备作为高级光谱、扬子频率法、固体表面特征和冷原子碰撞的研究人员，他们也从事着原子反射、原子映射、原子干预、玻色-热耦合实验（bec）、原子配件和冷原子钟等原子光学研究工作，希望获得一组速度分布窄、分布角小、颜色高的冷原子梁或冷原子梁。通常,人们将原子炉喷射出来的原子束称为热原子束(将蒸汽池中的原子样品称为热原子样品),经多普勒冷却或亚多普勒冷却的原子束(或原子样品)称为冷原子束(或冷原子样品),而将经亚反冲冷却的原子束(或原子样品)称为超冷原子束(或超冷原子样品)。为获得冷原子束,人们相继发展了许多方案。早期的方案大多建立在多普勒(Doppler)冷却基础上,以各种塞曼减速器(Zeemanslower)为典型代表近年来,随着激光冷却和囚禁技术,特别是磁光阱(magneto-opticaltrap,MOT)技术的发展,在多普勒冷却的基础上结合磁光阱技术又相继发展了许多新的方案。其中一类典型的代表是蒸气池磁光阱方案(VCMOT):利用磁光阱对低气压原子蒸气池中的中性原子进行冷却与囚禁,然后将其输出,即可获得一冷原子束。在这类利用磁光阱技术产生冷原子束的方案中,除了多普勒冷却机制外,还存在一种亚多普勒激光冷却机制——偏振梯度冷却(polarizationgradientcooling)由于冷原子束与传统的热原子束相比,具有速度分布窄、发散角小和亮度高等优点,而超冷原子束和原子激光束则具有相干性好和单色亮度高等特点,故冷原子束或超冷原子束的产生为基础物理问题的研究提供了一个性能优良的原子束源,并极大地促进了基础物理研究的发展。因此,本文将就冷原子束或超冷原子束产生的基本原理、典型方案和实验结果及其最新进展与应用作一简单介绍,以期读者对冷原子束或超冷原子束的产生及其应用有一个较为全面的了解。2冷原子束或超冷原子束的基本原则2.1运效应的测定早期的冷原子束产生方案以采用多普勒冷却机制的塞曼减速器为典型代表所谓光抽运效应,指的是原子在自发辐射过程中从激发态弛豫到与冷却激光束非共振的其他精细分裂能级上,从而终止了原子的进一步冷却。为了有效地抑制这一光抽运效应,通常根据原子的偶极跃迁选择定则选取适当的跃迁能级和冷却激光束的偏振方向,以2.2采用亚多普勒冷却和磁光陷阱技术产生的冷原子束的原理建立在磁光阱技术基础上的冷原子束产生方案的原理大致如下1987年,Chu等首先报道了磁光阱的实验结果2.3采用亚反冲冷却机制产生超冷原子束的原理随着冷原子束产生技术的不断发展,人们在磁光阱技术的基础上又相继提出并实验研究了一些采用亚反冲冷却机制产生超冷原子束的新方法。例如:采用拉曼边带冷却产生超冷原子束的方案3实验计划和结果及其显著成就3.1采用激光扫频冷却技术的冷原子束产生方案早在1975年,Hansch等提出了激光冷却中性原子的物理思想随后,Hall等(1985年)利用反向传输的扫频激光(σ由于采用上述激光扫频技术来实现原子束的激光减速与冷却,不仅在操作上存在不便,而且减速与冷却的效果也不佳,因此目前人们已很少利用此类方案来产生冷原子束。3.2采用塞曼在冷原子束和方式的冷原子束塞曼减速器是多勒普冷却方案中最为典型和最具代表性的方案。1981年,Phillips等首先提出了采用塞曼减速器获得冷原子束的方案,并进行了相应的实验研究1991年,Barrett等报道了利用σ无论是σ3.3采用塞曼国际上的冷原子束产生方案1990年,Chu等在多普勒冷却的基础上结合磁光阱技术提出了一种新的冷原子束产生方案,并进行了相应的实验研究1994年,Scholz等报道了利用塞曼减速器结合倾斜的二维磁光阱产生冷原子束的实验2000年,Fukugama等人报道了利用塞曼减速器结合三维磁光阱(四光束MOT)以脉冲方式产生冷原子束的实验3.4采用蒸气池磁光栈的冷原子束产生方案1996年,Wieman等在三维磁光阱的基础上设计并研究了一种产生低速强原子束源(Low-velocityintensesourceofatoms,LVIS)的新方案1997年,Weyers等报道了利用二维蒸气池磁光阱产生冷原子束的实验方案1998年,Walraven小组报道了利用二维磁光阱结合三维多普勒冷却技术产生冷原子束的新方案同年,Vredenbregt等利用一个二维磁光阱压缩器作为一个原子漏斗在蒸气池中将速度低于100m/s的钠原子取出,然后通过一个球形的各向同性激光腔(腔内的激光通过光纤导入)对原子束进行纵向减速与冷却1996年,Jhe等首先采用金字塔型空心反射镜(角锥空心反射镜)或圆锥空心反射镜实现了单光束的原子磁光囚禁,并进行了相应的实验研究此外,建立在蒸气池磁光阱技术基础上的冷原子束产生方案还有许多3.5原子束的实现2001年,Chu等报道了利用三维运动光学晶格冷却和加速铯原子束输出的实验另一类产生超冷原子束的方案是采用适当的磁光操控技术实现玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)中的超冷原子的耦合输出,以产生相干的原子激光束。1997年,Ketterle等通过射频耦合输出技术将磁阱中处于BEC的超冷钠原子泵浦到非囚禁态,并在重力场的作用下,实现了第一个脉冲钠原子激光束的输出4在基础物理问题研究中的应用一束发散角小、速度分布窄和亮度高的冷原子束或超冷原子束,无论是在诸如超高分辨光谱、量子频标、固体表面研究、冷原子碰撞和非线性物理效应等基础物理问题研究方面,还是在诸如原子束反射、原子束偏转(折射)、原子束聚焦成像(原子透镜)、原子束衍射、原子束干涉、原子波导、原子分束、原子全息和原子刻印甚至冷原子钟等原子光学实验中均有广阔的应用前景4.1在真空室中的应用冷原子束或超冷原子束的重要应用之一是BEC实验及其原子激光的输出。如果将冷原子束(包括磁、光导引的冷原子束)装载进入一个超高真空室中的磁光阱(或光阱),并采用射频蒸发冷却(或光学势蒸发冷却)技术进一步冷却原子至光子反冲温度附近,即可实现BEC相变,并进行BEC耦合输出(原子激光)的实验研究。自从1995年美国JILA小组首先观测到铷原子气体中的BEC以来4.2分束干涉仪高质量冷原子束或超冷原子束的产生正极大地推动着原子光学的发展。特别是近年来,如何实现冷原子的精确操纵与控制吸引了众多物理学者的兴趣。以原子干涉仪为例,按照原子束分束方法的不同,构成的原子干涉仪通常可分为:驻波场分束干涉仪,布拉格衍射分束干涉仪,微结构机械光栅分束干涉仪,偏振分束干涉仪,磁、光导引分束干涉仪等。显然,所有原子干涉仪及其原子干涉实验都需要用到高质量的冷原子束或超冷原子束。原子干涉仪的出现为研究原子的内部结构、性质,原子在电场、磁场、电磁场(光场)和重力场乃至真空场中的运动行为以及一些基本的量子特性(如量子统计特性)等提供了更为精确的研究手段。与此同时,原子干涉仪还是一种测量器件,它可用于制造超高灵敏的探测仪器,如原子干涉陀螺仪和重力计,在航海、航天和地质勘探等领域中有着广泛的应用前景。此外,对冷原子束的精确操控,无论是在原子刻印和纳米材料制作,还是在冷原子钟研制等方面均有着非常重要的应用价值。例如,1998年,Thomann等4.3原子激光准1996年,Shimizu等利用ZeemanSlower+MOT技术产生的冷Ne原子束进行了第一个原子全息术的实验研究此外,原子光学领域中的另一个热点是原子激光的应用研究。所谓原子激光,实际上是一束准单色、高亮度和强相干的超冷原子束。这样的一束原子激光在我们的生产和生活以及科学研究