基于纳米光纤的冷原子相干与热噪声冷却研究
发布时间：2021-07-21 21:38
光与原子相互作用是量子光学和原子物理学领域的主要研究内容。通过电磁场实现的原子间相互作用可被广泛用于基础科研和实际应用等各个领域中。这些应用的实现得益于实验系统所具备的几大特性,主要包括光与原子的大耦合效率、原子系综的俘获与操控和电磁场的本征化与操控三方面。光波导为实现这些系统特性提供了一个合适的平台,而光学纳米光纤则是光波导方案中一个极佳的选择。纳米光纤是指由标准单模光纤拉锥到具有厘米级长度,亚微米级直径的锥形光纤。通过纳米光纤,电磁场被强束缚到光纤表面附近形成衰逝场,提高了光与原子耦合率,原子间的相互作用通过波导光得以实现,同时原子也能通过衰逝场被俘获到纳米光纤表面附近。光与原子相互作用过程中,纳米光纤波导光的相位和偏振稳定性对最终测量具有重要影响,因此对纳米光纤热噪声特性的研究尤为重要,光纤表面强束缚的衰逝场则为光机械耦合效应的研究提供了一个理想平台。我们知道线偏振光穿过双折射物体时能够对其产生扭转力,其原理蕴藏在麦克斯韦方程中,被Poynting揭示并随后在实验上被Beth和Holbourn证明,此效应在当代光机械耦合的应用中处于核心地位。一个里程碑式的应用实例是利用光与物体间...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
纳米光纤结构示意图
?格中[4146]。由于势阱深度和空间尺寸较小，每个光晶格最多只能装载一个原子或没有原子。晶格势阱的俘获寿命为百毫秒量级，基态原子的相干时间约600μs[47]。在这种方案中单个原子的光学厚度大约3%左右，数千个原子则能实现可观的光学厚度，这些条件为研究光与物质相互作用提供了一个良好的平台。本小节将基于纳米光纤实现的光与原子相互作用，针对衰逝场光的手征性、原子布拉格反射、光存储、超辐射亚辐射，集体激发效应和里德堡原子激发的最新研究进展和一些重要特性的应用做详细介绍。1.2.1衰逝场光子的手征性图1.2[55](a)纳米光纤附近衰逝场的偏振特性。(b)原子的能级结构，基态|g与激发态|e-1，|e0和|e+1分别通过σ，π和σ+跃迁耦合到一起。当光在横向上被束缚到亚波长范围时，会在传播方向上存在着重要的偏振成分，也就意味着纳米光纤中的准线偏光会在垂直于传播方向的横向上存在自旋角动量，表现出手征性。目前，光子的手征性已经在纳米金颗粒[4849]，纳米尖[50]，微盘腔[51]，量子点[5254]和原子[55]实验中得到验证。在图1.2(a)中[55]，紧束缚在纳米光纤周围的衰逝场延光纤+z方向传播时，将y轴作为量子化轴，则衰逝场的偏振为σ+。如果衰逝场延光纤-z方向传播，则衰逝场的偏振为σ。这表现出了衰逝场中光子的手征性特点，衰逝场的本地偏振与传播方向有着内在联系。在图1.2(b)中，当具有手征性的光子与自旋极化原子相互作用时，原子的极化导致该原子对光的散射具有偏振依赖性，因此自旋极化原子对σ+偏振和σ偏振光子则表现出不同的散射截面。Arno小组利用手征性光子与自旋极化原子的不同相互作用实现了纳米光学意义上的光学隔离器的制备[55]。该小组采用了两种实
Ч飧衾朐?硇缘闹っ魑?乱淮?允终餍怨庥胛镏氏嗷プ饔梦??〉哪擅坠?学器件的研发打下了基矗1.2.2原子镜面Bragg反射在一个有序排列的晶格阵列里面，当光波长与晶格间距接近共振时，向前传播的光和向后反射的光则会产生相干效应，晶格对入射光产生强反射，这就是著名的Bragg反射，这种现象已经在多层电介质结构的晶体中得到广泛研究[56]。在自由空间，或者有序排列的三维[5758]或者一维[5960]光晶格中的冷原子气体中，也观测到了Bragg反射现象。这些观测需要约107个原子与超过7700层的光晶格用于实现多层反射。图1.3[61](a)N个原子被俘获到纳米光纤表面200nm距离的光晶格中，原子荧光以辐射衰减速率Γ1D耦合进右侧与左侧传播的模场中，未耦合到纳米光纤传播模场中的以Γ0耦合到其他模场中。(b)纳米光纤横向平面内准线偏偏振波导模的电场分布。由于纳米光纤波导与原子间存在较大的耦合作用，纳米光纤附近的衰逝场构建的具有共振波长周期的光晶格中，每个原子可视为一个原子镜面。Julien小组利用2000个原子构筑的一维原子链同样实现大的Bragg反射[61]。实验原理如图1.3所示，晶格常数d接近原子跃迁波长的一半λ0/2，构建光晶格的红失谐光采用两种失谐频率，分别失谐于共振0.12nm(2×1.2μW)和0.2nm(2×1.9μW)，蓝失谐光采用686.1nm和686.5nm(2×4mW)用于补偿y轴方向的势阱。红失谐光的偏振与x轴方向平行，最终俘获N个原子到光纤表面附近200nm的光晶格中。红失谐λ=0.12nm(0.2nm)时仿真得到的势阱深度为-0.15mK(-0.1mK)。在失谐λ=0.12nm情况下，测到相对自由空间原子共振跃迁的Stark频移为3MHz，非均匀展宽约为0.6个自然跃迁线宽。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fabrication of Submicron-Diameter and Taper Fibers Using Chemical Etching[J]. Hani J. Kbashi. Journal of Materials Science & Technology. 2012(04)
本文编号：3295823
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
纳米光纤结构示意图
?格中[4146]。由于势阱深度和空间尺寸较小，每个光晶格最多只能装载一个原子或没有原子。晶格势阱的俘获寿命为百毫秒量级，基态原子的相干时间约600μs[47]。在这种方案中单个原子的光学厚度大约3%左右，数千个原子则能实现可观的光学厚度，这些条件为研究光与物质相互作用提供了一个良好的平台。本小节将基于纳米光纤实现的光与原子相互作用，针对衰逝场光的手征性、原子布拉格反射、光存储、超辐射亚辐射，集体激发效应和里德堡原子激发的最新研究进展和一些重要特性的应用做详细介绍。1.2.1衰逝场光子的手征性图1.2[55](a)纳米光纤附近衰逝场的偏振特性。(b)原子的能级结构，基态|g与激发态|e-1，|e0和|e+1分别通过σ，π和σ+跃迁耦合到一起。当光在横向上被束缚到亚波长范围时，会在传播方向上存在着重要的偏振成分，也就意味着纳米光纤中的准线偏光会在垂直于传播方向的横向上存在自旋角动量，表现出手征性。目前，光子的手征性已经在纳米金颗粒[4849]，纳米尖[50]，微盘腔[51]，量子点[5254]和原子[55]实验中得到验证。在图1.2(a)中[55]，紧束缚在纳米光纤周围的衰逝场延光纤+z方向传播时，将y轴作为量子化轴，则衰逝场的偏振为σ+。如果衰逝场延光纤-z方向传播，则衰逝场的偏振为σ。这表现出了衰逝场中光子的手征性特点，衰逝场的本地偏振与传播方向有着内在联系。在图1.2(b)中，当具有手征性的光子与自旋极化原子相互作用时，原子的极化导致该原子对光的散射具有偏振依赖性，因此自旋极化原子对σ+偏振和σ偏振光子则表现出不同的散射截面。Arno小组利用手征性光子与自旋极化原子的不同相互作用实现了纳米光学意义上的光学隔离器的制备[55]。该小组采用了两种实
Ч飧衾朐?硇缘闹っ魑?乱淮?允终餍怨庥胛镏氏嗷プ饔梦??〉哪擅坠?学器件的研发打下了基矗1.2.2原子镜面Bragg反射在一个有序排列的晶格阵列里面，当光波长与晶格间距接近共振时，向前传播的光和向后反射的光则会产生相干效应，晶格对入射光产生强反射，这就是著名的Bragg反射，这种现象已经在多层电介质结构的晶体中得到广泛研究[56]。在自由空间，或者有序排列的三维[5758]或者一维[5960]光晶格中的冷原子气体中，也观测到了Bragg反射现象。这些观测需要约107个原子与超过7700层的光晶格用于实现多层反射。图1.3[61](a)N个原子被俘获到纳米光纤表面200nm距离的光晶格中，原子荧光以辐射衰减速率Γ1D耦合进右侧与左侧传播的模场中，未耦合到纳米光纤传播模场中的以Γ0耦合到其他模场中。(b)纳米光纤横向平面内准线偏偏振波导模的电场分布。由于纳米光纤波导与原子间存在较大的耦合作用，纳米光纤附近的衰逝场构建的具有共振波长周期的光晶格中，每个原子可视为一个原子镜面。Julien小组利用2000个原子构筑的一维原子链同样实现大的Bragg反射[61]。实验原理如图1.3所示，晶格常数d接近原子跃迁波长的一半λ0/2，构建光晶格的红失谐光采用两种失谐频率，分别失谐于共振0.12nm(2×1.2μW)和0.2nm(2×1.9μW)，蓝失谐光采用686.1nm和686.5nm(2×4mW)用于补偿y轴方向的势阱。红失谐光的偏振与x轴方向平行，最终俘获N个原子到光纤表面附近200nm的光晶格中。红失谐λ=0.12nm(0.2nm)时仿真得到的势阱深度为-0.15mK(-0.1mK)。在失谐λ=0.12nm情况下，测到相对自由空间原子共振跃迁的Stark频移为3MHz，非均匀展宽约为0.6个自然跃迁线宽。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fabrication of Submicron-Diameter and Taper Fibers Using Chemical Etching[J]. Hani J. Kbashi. Journal of Materials Science & Technology. 2012(04)
本文编号：3295823
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