冷卻光泵浦效應(yīng)對(duì)原子布居數(shù)分布影響的實(shí)驗(yàn)研究

張利軍,趙興波,徐忠孝,武躍龍,李淑靜,王 海

冷卻光泵浦效應(yīng)對(duì)原子布居數(shù)分布影響的實(shí)驗(yàn)研究

張利軍,趙興波,徐忠孝,武躍龍,李淑靜,王 海＊

(量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西大學(xué)光電研究所,山西太原030006)

在Rb原子冷卻俘獲磁光阱(MOT)系統(tǒng)中,通過MOT系統(tǒng)的時(shí)序控制,我們研究了冷卻光關(guān)斷時(shí)間的延遲對(duì)原子在基態(tài)能級(jí)布居數(shù)分布的影響.實(shí)驗(yàn)中,冷卻光的開關(guān)由聲光調(diào)制器(AOM)控制,通過測(cè)量探針光經(jīng)過冷原子云后吸收信號(hào)的大小,分析基態(tài)能級(jí)上原子布居數(shù)分布與冷卻光關(guān)斷時(shí)間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)表明,隨著冷卻光延遲時(shí)間的增加,原子在能級(jí)F=2上的布居數(shù)在減少,能級(jí)F=1上的布居數(shù)在增加.

冷原子;冷卻光;再泵浦光;布居數(shù)分布

0 引言

隨著激光冷卻中性原子研究的不斷發(fā)展,利用激光冷卻中性原子的技術(shù)不斷提高.冷原子介質(zhì)具有速度低,多普勒展寬窄,相干性好等優(yōu)良的特性.因此將冷原子作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行原子物理和量子光學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究是目前許多實(shí)驗(yàn)小組研究的熱點(diǎn).光子傳播速度快,且不易受外界環(huán)境干擾,是進(jìn)行量子通訊研究的理想載體[1],原子易于局域在空間所需的位置,是量子信息存儲(chǔ)的理想單元.當(dāng)光與多能級(jí)原子相互作用時(shí),由量子相干導(dǎo)致的電磁感應(yīng)透明效應(yīng)(EIT)具有吸收小、色散強(qiáng)等特性,可用來增強(qiáng)介質(zhì)克爾非線性效應(yīng)[2,3]和降低光群速度[4],這為實(shí)現(xiàn)量子相位門[2]、光存儲(chǔ)[5]和光與原子系綜的糾纏[6]等實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了有效工具.近年來,人們提出了許多利用EIT效應(yīng)進(jìn)行量子信息處理的方案,通常進(jìn)行量子信息處理所使用的原子,如Rb,Cs,它們具有兩個(gè)超精細(xì)基態(tài)能級(jí).這些方案中有許多實(shí)驗(yàn)的實(shí)施就要求將原子制備到特定的基態(tài)能級(jí)上[7].目前進(jìn)行態(tài)制備的主要手段是利用泵浦光的泵浦效應(yīng),通過選擇合適的耦合光和泵浦光的偏振方向,原子可以被高純度地制備到需要的能態(tài)上.在熱原子中,基態(tài)能級(jí)上原子的分布服從玻爾茲曼分布,即各自以1/2的概率分布在兩基態(tài)能級(jí)上.在冷原子系統(tǒng)中,冷卻光的作用時(shí)間對(duì)原子在兩基態(tài)能級(jí)上的布居數(shù)分布有很大的影響.本文利用時(shí)序控制系統(tǒng),通過精確地控制冷卻光與再泵浦光開關(guān)的相對(duì)時(shí)間延遲,研究了冷卻光關(guān)斷時(shí)間延遲對(duì)原子在基態(tài)能級(jí)布居數(shù)分布的影響.實(shí)驗(yàn)表明,隨著冷卻光延遲時(shí)間的增加,原子在能級(jí)F=2上的布居數(shù)在減少,能級(jí)F=1上的布居數(shù)在增加.該方法對(duì)于許多需要進(jìn)行特定Zeeman能級(jí)態(tài)制備的實(shí)驗(yàn)有重要的參考價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

激光冷卻與俘獲中性原子的系統(tǒng)如圖1所示,主激光器是德國Toptica公司生產(chǎn)的光柵反饋半導(dǎo)體激光器(DL100),該半導(dǎo)體激光器采用Littow結(jié)構(gòu)光柵反饋方式調(diào)諧頻率,激光二極管的型號(hào)為#LD-0780-0150 -2,在工作溫度為19.9℃時(shí),其中心輸出波長(zhǎng)為780.232 nm,典型輸出功率是120 mW.主激光器輸出的激光先通過一個(gè)隔離器(40 dB),以排除反饋光對(duì)激光器頻率穩(wěn)定性的影響.然后激光經(jīng)過一個(gè)λ/2波片和偏振分束棱鏡,被分為兩部分,其中功率較弱的部分被入射到飽和吸收裝置用于激光頻率鎖定,而另一部分被注入到激光功率放大器(BOOSTA)中.激光功率放大器是由德國Toptica公司生產(chǎn)的,當(dāng)工作電流為1 945 mA,工作溫度為24℃,注入光功率為35 mW時(shí),我們得到了800 mW的輸出光.經(jīng)過隔離器及光纖整形后得到了370 mW的輸出光,再經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)后,得到了功率約為250 mW的正一級(jí)衍射光.輸出的激光經(jīng)過分光系統(tǒng)將光均勻地分為3束,每一束再經(jīng)過由焦距分別為50 mm和600 mm兩個(gè)透鏡構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)將光斑直徑擴(kuò)大.再用λ/2波片、偏振分束棱鏡、λ/4波片將每束激光平均分為功率相同,轉(zhuǎn)播方向相反的兩束(左,右)圓偏振光,彼此進(jìn)入銣原子氣室中,六束激光的交點(diǎn)為磁光阱系統(tǒng)的磁場(chǎng)零點(diǎn),俘獲原子的磁光阱系統(tǒng)如圖2[8]所示.在俘獲冷原子過程中,我們將主激光器的頻率鎖定在87Rb原子5S1/2F=2→5P3/2F’=2,3(D2線)躍遷的交叉線上,此交叉線位于5P3/2F’=3能級(jí)下133MHz處.經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)后,該激光頻率藍(lán)移120 MHz.最后輸出激光的頻率穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)在5P3/2F’=3負(fù)失諧13 MHz處.銣原子氣室外形尺寸為4 cm×4 cm×10.5 cm,室溫下利用離子泵維持銣原子氣室的真空度,真空度約為10-7Pa.

圖1 冷卻與俘獲Rb87原子的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup of cooling and traping87Rb atoms

在磁光阱(MOT)系統(tǒng)中,梯度磁場(chǎng)由一對(duì)自制亥姆霍茲線圈提供,亥姆霍茲線圈同軸反向沿豎直方向?qū)ΨQ放置在銣原子氣室兩端.磁場(chǎng)線圈用直徑為1.3 mm的漆包線繞制而成,整個(gè)線圈的直徑為120 mm,匝數(shù)約為100,通過電流為3 A時(shí),實(shí)驗(yàn)測(cè)得在MOT中心處產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)梯度大約為10 Gauss/cm.

圖2 磁光阱示意圖Fig.2 Magnetically-optical-trap system

圖3 Rb87原子冷卻能級(jí)圖Fig.3 Energy levels of the cooling experi ments of87Rb atoms

圖3 是冷原子能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖,在原子的冷卻過程中,為了防止被激發(fā)到上能級(jí)的原子因自發(fā)輻射返回到基態(tài)能級(jí)5S1/2F=1上而不再參與冷卻過程,保證冷卻過程可以持續(xù)進(jìn)行下去,我們用另外一束激光作為再泵浦光,再泵浦光共振作用在5S1/2F=1→5P3/2F’=1上,參與對(duì)原子的俘獲.冷卻俘獲過程中,我們利用CCD攝像機(jī)對(duì)磁光阱中俘獲的冷原子團(tuán)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄.

原子冷卻俘獲后,關(guān)閉MOT系統(tǒng),將一束探針光作用于冷原子團(tuán)上,進(jìn)行原子在基態(tài)能級(jí)布居數(shù)分布的測(cè)量.探針光由另外的一臺(tái)光柵反饋半導(dǎo)體激光器提供(德國Toptica公司生產(chǎn)的DL100),如圖4所示.激光器輸出的光經(jīng)過隔離器(防止光反饋對(duì)激光頻率穩(wěn)定性的影響)后,繼續(xù)通過兩個(gè)聲光調(diào)制器(AOM1, AOM2)以保證頻率不變進(jìn)入原子云.探針光光斑直徑應(yīng)略小于原子云直徑,保證原子云完全覆蓋住探針光.

圖4 探針光光路:λ/2:二分之一波片;PBS:偏振分束棱鏡;AOM:聲光調(diào)制器Fig.4 Probe beam:λ/2:half-wave plate;PBS:polarizing beam splitter;AOM:acousto-opticalmodulators

圖5 實(shí)驗(yàn)采用時(shí)序控制示意圖Fig.5 Sequence control signals.From top to bottom are:cooling beam, repumping beam,MOTB-field and probe beam

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

冷卻光,再泵浦光,探針光,磁場(chǎng)的開關(guān)是由美國N I公司生產(chǎn)的16路數(shù)據(jù)采集卡,通過3套聲光頻移系統(tǒng)分別進(jìn)行開啟和關(guān)斷控制,采用的控制時(shí)序如圖5所示.磁光阱俘獲原子的時(shí)間約為900 ms,原子被俘獲后,關(guān)閉磁場(chǎng).由于關(guān)閉磁場(chǎng)需要一定的時(shí)間(約200μs),而我們實(shí)驗(yàn)上是在磁場(chǎng)關(guān)閉后約300μs進(jìn)行測(cè)量,這樣就可以有效地排除剩余磁場(chǎng)的影響.我們通過觀察冷原子云對(duì)探針光(5S1/2,F=1→5P1/2,F′=1, 5S1/2,F=2→5P1/2,F′=1)的吸收信號(hào)來進(jìn)行原子布居數(shù)分布的測(cè)量,觀察到的吸收信號(hào)用自制的探測(cè)器(FND100)進(jìn)行探測(cè).

實(shí)驗(yàn)中,我們測(cè)量了探針光吸收信號(hào)隨冷卻光延遲時(shí)間(相對(duì)于MOT系統(tǒng)的磁場(chǎng),再泵浦光的關(guān)斷時(shí)刻)的變化.圖6a是延遲時(shí)間為0μs時(shí)(冷卻光與再泵浦光同時(shí)關(guān)斷)測(cè)得的探針光的吸收信號(hào),由于再泵浦光的泵浦效應(yīng),原子大部分分布在5S1/2,F=2上.因此5S1/2,F=1→5P1/2,F′=1的吸收信號(hào)基本為零,圖6b,c,d對(duì)應(yīng)于冷卻光相對(duì)于再泵浦光分別延遲了100μs,500μs,1 500μs時(shí)觀察到的探針光的吸收信號(hào),可以看到,隨著冷卻光相對(duì)于再泵浦光延遲時(shí)間的增加,冷卻光作用時(shí)間的延長(zhǎng),探針光的吸收信號(hào)在逐漸增大,即能級(jí)5S1/2,F=1的原子數(shù)在逐漸增多,能級(jí)5S1/2,F=2上的原子數(shù)在減少.當(dāng)延遲達(dá)到1 500μs時(shí)可以看到吸收信號(hào)已經(jīng)達(dá)到最大,不再變化,即我們已經(jīng)將大部分原子制備到基態(tài)能級(jí)5S1/2,F=1上.

圖6 冷卻光相對(duì)于再泵浦光在不同關(guān)斷時(shí)間情況下,探針光的透射信號(hào)Fig.6 Trans mission spectra of probe beam when the cooling beam and the repumping beam are closed at the different time

隨后,我們將探針光頻率掃過原子5S1/2,F=2→5P1/2,F′=1的共振躍遷線,在不同的冷卻光延遲條件下測(cè)量了探針光的吸收信號(hào).圖7a,b,c,d為冷卻光延遲0μs,100μs,500μs,1 500μs時(shí)觀察到的探針光的吸收信號(hào).圖7a吸收信號(hào)最大,表明原子在5P1/2,F=2上最多.可以看到,隨著冷卻光相對(duì)于再泵浦光延遲時(shí)間的增加,探針光的吸收信號(hào)在逐漸降低,即能級(jí)5S1/2,F=2的原子數(shù)在逐漸減少.但是,當(dāng)冷卻光相對(duì)于再泵浦光關(guān)斷時(shí)間延遲的足夠長(zhǎng)時(shí),在基態(tài)能級(jí)5S1/2,F=2上依然有少部分原子存在,這主要是由于磁場(chǎng)關(guān)閉后,冷卻光的兩正交偏振光和不同的zeeman子能級(jí)作用(如圖7 b,c,d),引起量子相干效應(yīng),使原子被相干俘獲(CPT)在基態(tài)能級(jí)5S1/2,F=2上,無法向高能級(jí)躍遷.

圖7 冷卻光相對(duì)于再泵浦光在不同關(guān)斷時(shí)間情況下,探針光的透射信號(hào)Fig.7 Trans mission spectra of probe beam when the cooling beam and the repumping beam are closed at the different time

對(duì)于Rb原子,只有兩個(gè)基態(tài)能級(jí),我們同時(shí)測(cè)量探針光在兩個(gè)基態(tài)能級(jí)上吸收信號(hào)的大小,即可判斷基態(tài)能級(jí)上原子布局?jǐn)?shù)分部情況.

3 結(jié)論

本文介紹了在冷原子系統(tǒng)中一種簡(jiǎn)易的改變?cè)釉诨鶓B(tài)能級(jí)布居數(shù)分布的方法.利用時(shí)序控制開關(guān),精確的改變冷卻光與再泵浦光開關(guān)的相對(duì)時(shí)間,通過延遲冷卻光的關(guān)斷時(shí)間,延長(zhǎng)冷卻光的作用時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了冷原子所需基態(tài)布居數(shù)的制備.為開展光量子存儲(chǔ),暗態(tài)極子的操控等實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ).

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Influence of the Pumping Effect of the Cooling L ight on the Atom ic Population

ZHANGLi-jun,ZHAO Xing-bo,XU Zhong-xiao,WU Yue-long,L I Shu-jing,WANG Hai
(State key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Opto-Electronics,Shanxi University,Taiyuan030006,China)

The influence of the cooling light cut-off time delay to the atomic population on the ground state is studied in the RbMOT by the time sequentied control.In the experiment,the cooling light switch is controled byAOM,and the relationship of the atomic pupulation of the ground state and the cut-off ti me of the cooling light is analized.The resultes show thatwith the cut-off time of the cooling light becoming longer,the atomic population on the F=2 state is decrease while the atomic population on the F=1 state is increase.

cold atoms;cooling light;the repumping light;Layout number distribution

O431

A

0253-2395(2010)04-0542-05

2010-05-10;

2010-08-13

國家自然科學(xué)基金(10874106;60821004;10904086);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20060108002);973計(jì)劃(2010CB923100)

張利軍(1984-),男,山西臨縣人,在讀碩士.＊通訊作者:E-mail:wanghai@sxu.edu.cn