大失谐连续输运激光情形下双磁光阱中冷原子的输运

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1、http://www.paper.edu.cn1大失谐连续输运激光情形下双磁光阱中冷原子的输运*王婧，闫树斌**，耿涛，张天才，王军民***（量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学光电研究所，太原030006）摘要：在已建立的铯原子双磁光阱实验装置上，采用连续激光将气室磁光阱中冷却并俘获的冷原子输运到超高真空磁光阱。在前期利用近共振弱光研究原子输运的工作基础上，将输运激光的负失谐量扩展到约2.5GHz，并增大了输运光功率，对冷原子的输运作了实验研究。结果表明：在大负失谐情形下，较强的输运光使冷原子输运更为有效，归因于

2、输运光束对原子的偶极力造成对冷原子的导引作用。关键词：冷原子，磁光阱，双磁光阱，连续输运激光，大失谐1.引言[1,2]利用磁光阱来俘获中性原子已经成为原子物理、激光光谱、量子光学等领域科学研究的重要手段之一。通过磁光阱，可以有效地制备冷原子样品，成为许多实验研究的出发点，例如玻色－爱因斯坦凝聚、冷原子碰撞、光学晶格、原子喷泉、腔量子电动力[3]学等等。对于磁光阱中碱金属原子的装载，可以通过塞曼减速器（ZeemanSlower）或[4]频率扫描将原子束减速后载入磁光阱，也可以从处于室温下麦克斯韦－玻尔兹曼速度[2]分布的稀薄

3、原子蒸气中直接冷却并俘获部分低速原子(气室磁光阱)。气室磁光阱不需要复杂的系统装置对原子束进行减速，因此更广泛的运用在冷原子物理的实验当中。另一方面，由于冷原子物理许多实验都要求工作在较高的背景真空环境中，如玻色－爱因斯坦凝聚、冷原子腔量子电动力学等。为了达到这个条件，在基于气室磁光阱可方便地*1本工作得到国家自然科学基金(项目批准号：60578018，10434080)、国家重点基础研究计划课题（2006CB921102）、教育部新世纪优秀人才支持计划、山西省自然科学基金(项目编号：2007011003)。**现在工作单

4、位：中北大学电子科学与技术系***通讯作者，email:wwjjmm@sxu.edu.cn1http://www.paper.edu.cn从室温下的背景原子中直接制备冷原子的基础上，在进行冷原子腔量子电动力学实验研究时建立了由铯原子气室磁光阱和超高真空磁光阱组成的双磁光阱系统。已经制备在气室磁光阱中的冷原子，可以通过光场作用于冷原子样品，将原子输运至背景真空度较高的另一个磁光阱中再次俘获。本文主要讨论通过光场来输运原子。一些国外的实验小组以及山西大学在前期的工作中研究了连续的近共振弱光束情形下冷原子从气室磁光阱到超高真空磁

5、光阱的输运[5-7]。其基本的物理思想是输运光束对冷原子产生的辐射压力对原子有推送作用，并且在将冷原子推出气室磁光阱的过程中横向冷却效应在一定程度上减小了冷原子束流的发散角。该方案的优点是易于控制，可以在实验中进行局部操控及应用。其缺点是，冷原子从近共振输运光中散射光子，会导致原子的加热和损耗。为了解决散射光子的问题，[8,9]一些实验小组利用空心的蓝失谐光束，使原子在大部分的时间里处在输运光中心暗区内。还可以采用远离共振频率的输运光场也可以大大降低光子散射率。利用大负失谐的[10-15]激光对冷原子进行输运也已有一些工作

6、，并且讨论了在会聚和发散的导引光束中原[12][13]子绝热加热和绝热冷却的问题，甚至还通过两束红失谐激光实现了冷原子分束器。这些实验中普遍采用了较高的输运光功率。本文介绍了在铯原子双磁光阱的实验装置上，利用大负失谐连续激光对冷原子进行输运。依赖于输运激光的失谐量、功率等参数，研究气室磁光阱和超高真空磁光阱之间原子的转移效率。原子在受到来自输运光辐射压力的推送作用之外，实验表明了在大负失谐的情形下，较强的输运光使冷原子输运更为有效，这归因于输运光束横截面内光强[14,15]高斯分布会对冷原子形成指向中心的偶极力，造成对冷原

7、子的束缚及导引作用。2.实验装置铯原子双磁光阱的真空系统采用上下两个不锈钢真空腔体，中间通过一个竖直的无2http://www.paper.edu.cn氧铜压差管相连。上方的气室磁光阱用一个40l/s的离子泵维持真空，并通过一个金属阀门与铯源相连；下级超高真空磁光阱连接一个300l/s的离子泵，使背景真空度维持在大－8－6约8×10Pa。而气室磁光阱内适当的真空度（释放出适量铯蒸气时的压力约1×10Pa）可以使铯蒸气在较短的时间内装载到磁光阱中。两个腔体的真空度通过真空计进行监测。PMFiberTransferBeamLe

8、nsMOTBeamsVapor-CellMOTUHVMOTUHVMOTBeams图1、铯原子双磁光阱示意图。中心相距193mm的两个不锈钢真空腔体通过竖直的无氧铜压差管相连，分别由两台-7-6-8离子泵维持在~5x10Pa（铯源释放出适量铯原子时的典型压力~1x10Pa）和~8x10Pa的典型压力下。气