光學(xué)微腔中單原子運(yùn)動(dòng)的精密測量和控制.pdf

1、腔量子電動(dòng)力學(xué)（Cavity Quantum Electrodynamics，腔QED）主要是研究受限空間內(nèi)粒子與光場的相互作用。單個(gè)原子與高精細(xì)度光學(xué)微腔組成的強(qiáng)耦合系統(tǒng)可以使人們在單量子水平上研究單個(gè)光子與單個(gè)原子的動(dòng)力學(xué)演化過程。原子與光場的強(qiáng)耦合不僅可以使我們完成對(duì)單個(gè)原子的靈敏探測，而且為量子態(tài)的制備、量子通迅和量子邏輯門的實(shí)現(xiàn)提供了一種重要的途徑。單個(gè)原子與腔場強(qiáng)耦合的實(shí)現(xiàn)及耦合強(qiáng)度的有效控制是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的核心問題。

2、>　　本文工作主要圍繞在單個(gè)原子與光學(xué)腔組成的強(qiáng)耦合系統(tǒng)中對(duì)單個(gè)原子的操控及測量所展開。工作重點(diǎn)如下：
　　1)在實(shí)驗(yàn)上搭建了將確定性數(shù)目的冷原子從磁光阱轉(zhuǎn)移到光學(xué)微腔并實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子與高精細(xì)度光學(xué)微腔（F-P腔）長時(shí)間強(qiáng)耦合作用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由：真空系統(tǒng)、光學(xué)微腔、頻率鏈系統(tǒng)、光學(xué)偶極阱、腔的透射收集系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和控制等部分構(gòu)成?；诂F(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array

3、，F(xiàn)PGA）技術(shù)，開發(fā)了實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，使我們主動(dòng)控制原子在腔模內(nèi)的運(yùn)動(dòng)成為可能。
　　2)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子與不同微腔橫模如TEMmn（m=0，1，2，3，n=0）模的強(qiáng)耦合作用，并完成了對(duì)單個(gè)原子運(yùn)動(dòng)軌跡的高靈敏探測。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著微腔橫模階數(shù)的增加對(duì)原子位置及速度的測量精度也隨著提高，與理論分析相吻合。在垂直于腔軸方向?qū)υ拥奈恢玫臏y量精度可達(dá)到0.26μm，重力方向的測量精度為1.95μm/10μs，同時(shí)對(duì)單個(gè)原子在重力方

4、向上速度的測量精度達(dá)到3mm/s。
　　3)利用微光學(xué)腔作為單原子探測器研究了磁光阱中冷原子的統(tǒng)計(jì)特性。通過實(shí)驗(yàn)上記錄原子自由下落到達(dá)微腔腔模時(shí)刻的概率來確定初始磁光阱中冷原子溫度的辦法，對(duì)磁光阱中冷原子云的溫度進(jìn)行了優(yōu)化，最終獲得了溫度為9μK的冷原子云，并通過蒙特卡羅方法模擬（Monte Carlo simulation）研究了原子疊加信號(hào)譜，經(jīng)過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，以不同的方法得出了冷原子的溫度信息，為微納結(jié)構(gòu)中冷原子

5、溫度的確定提供了一種新的途徑。最后研究了從磁光阱下落到微腔原子束的二階關(guān)聯(lián)度，首次用光學(xué)微腔觀測到了“熱原子束”的聚束效應(yīng)。
　　4)在沿微腔腔軸與垂直于腔軸的方向分別構(gòu)建了934nm的駐波阱與1064nm的遠(yuǎn)失諧偶極阱（Far-off-resonance dipole trap，F(xiàn)ORT）。通過微腔內(nèi)沿腔軸方向的駐波偶極阱成功地將單個(gè)原子俘獲在微腔腔模內(nèi)，由于所用駐波偶極阱波長為魔術(shù)波長，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)腔內(nèi)原子的態(tài)不敏感的冷卻與