中性分子束光學(xué)Stark減速與反射的理論研究.pdf

1、中性分子的冷卻、囚禁與操控是冷分子物理與分子光學(xué)的前沿研究課題之-。與原子相比,分子具有更加豐富的內(nèi)態(tài)結(jié)構(gòu),因此冷分子與超冷分子可廣泛用于基本物理問(wèn)題的研究、基本物理常數(shù)的精密測(cè)量、分子冷碰撞性質(zhì)的研究、量子計(jì)算與量子信息處理以及冷化學(xué)的研究等。所以,分子光學(xué)研究有著十分重大的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。近十年來(lái),冷分子的產(chǎn)生和應(yīng)用研究得到了快速的發(fā)展。本文首先綜述了中性分子的冷卻、囚禁與操控的基本原理、實(shí)驗(yàn)研究及其最新進(jìn)展；其次,討論了

2、脈沖超聲分子束和連續(xù)射流分子束產(chǎn)生的基本原理及其性能；接著,就中性分子的光學(xué)Stark減速進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究,并就半高斯光束構(gòu)成的分子反射鏡進(jìn)行了理論分析；最后,就本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié),并就本課題的未來(lái)研究進(jìn)行了展望。 本文提出了一種產(chǎn)生無(wú)衍射條紋的半高斯光束的新方案。我們采用空間光調(diào)制器破壞激光場(chǎng)的相干性,得到部分相干光,然后讓具有高斯分布的部分相干光通過(guò)半無(wú)限大平板得到無(wú)衍射條紋的半高斯光束。我們運(yùn)用統(tǒng)計(jì)光學(xué)與衍射光學(xué)

3、的知識(shí)計(jì)算了該方案產(chǎn)生的半高斯光束的強(qiáng)度分布。 我們提出了采用半高斯光束實(shí)現(xiàn)中性分子光學(xué)Stark減速器的二種新方案：即采用單級(jí)準(zhǔn)連續(xù)的半高斯光束減速連續(xù)分子束和采用靜電存儲(chǔ)環(huán)和半高斯柬的多級(jí)光學(xué)減速脈沖分子束的Stark減速方案。利用Monte-Carlo方法研究了半高斯光束的單級(jí)光學(xué)Stark減速器對(duì)連續(xù)分子束的減速效果以及多級(jí)光學(xué)Stark減速器對(duì)脈沖分子束的減速效果。當(dāng)用阱深為7.33mK的準(zhǔn)連續(xù)半高斯光束減速溫度為10

4、mK的重氨分子束時(shí),可以獲得動(dòng)能損失約為10％的減速效果,同時(shí)入射分子束中超過(guò)90％的分子能夠從減速器中輸出。如果將分子束囚禁在靜電存儲(chǔ)環(huán)中,可以實(shí)現(xiàn)分子束的多級(jí)光學(xué)Stark減速。囚禁在靜電存儲(chǔ)環(huán)中的速度為1.5m/s的重氨分子與阱深為10.86mK的半高斯光束作用24次之后,速度可降為2.89m/s。 本文還提出利用靜止的紅失諧的準(zhǔn)連續(xù)光晶格對(duì)脈沖超聲分子束的減速與囚禁。Monte-Carlo模擬結(jié)果顯示,利用該方案在毫米尺

5、度范圍內(nèi)可以直接將從脈沖閥噴出來(lái)的束流速度為230m/s的超聲分子束速度減為零。減速結(jié)束后關(guān)閉光場(chǎng)調(diào)制信號(hào),將減速后的溫度處于亞毫開(kāi)范圍的冷分子囚禁在這個(gè)光晶格中。文中還詳細(xì)研究了同步分子的位置以及減速級(jí)數(shù)對(duì)減速效果的影響。我們還提出了采用半高斯光束構(gòu)建全光型分子反射鏡的新方案,并采用Monte-Carlo方法詳細(xì)模擬了兩種分子反射鏡反射分子束的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。對(duì)于連續(xù)藍(lán)失諧分子反射鏡,當(dāng)激光功率為1.0kW時(shí),可以鏡面反射溫度為30mK的