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)對原子布居數(shù)分布影響的實驗研究

張利軍,趙興波,徐忠孝,武躍龍,李淑靜,王 海＊

(量子光學與光量子器件國家重點實驗室,山西大學光電研究所,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)的時序控制,我們研究了冷卻光關(guān)斷時間的延遲對原子在基態(tài)能級布居數(shù)分布的影響.實驗中,冷卻光的開關(guān)由聲光調(diào)制器(AOM)控制,通過測量探針光經(jīng)過冷原子云后吸收信號的大小,分析基態(tài)能級上原子布居數(shù)分布與冷卻光關(guān)斷時間的關(guān)系.實驗表明,隨著冷卻光延遲時間的增加,原子在能級F=2上的布居數(shù)在減少,能級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驗介質(zhì)進行原子物理和量子光學的實驗研究是目前許多實驗小組研究的熱點.光子傳播速度快,且不易受外界環(huán)境干擾,是進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,是量子信息存儲的理想單元.當光與多能級原子相互作用時,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、色散強等特性,可用來增強介質(zhì)克爾非線性效應(yīng)[2,3]和降低光群速度[4],這為實現(xiàn)量子相位門[2]、光存儲[5]和光與原子系綜的糾纏[6]等實驗的進行提供了有效工具.近年來,人們提出了許多利用EIT效應(yīng)進行量子信息處理的方案,通常進行量子信息處理所使用的原子,如Rb,Cs,它們具有兩個超精細基態(tài)能級.這些方案中有許多實驗的實施就要求將原子制備到特定的基態(tài)能級上[7].目前進行態(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)能級上.在冷原子系統(tǒng)中,冷卻光的作用時間對原子在兩基態(tài)能級上的布居數(shù)分布有很大的影響.本文利用時序控制系統(tǒng),通過精確地控制冷卻光與再泵浦光開關(guān)的相對時間延遲,研究了冷卻光關(guān)斷時間延遲對原子在基態(tài)能級布居數(shù)分布的影響.實驗表明,隨著冷卻光延遲時間的增加,原子在能級F=2上的布居數(shù)在減少,能級F=1上的布居數(shù)在增加.該方法對于許多需要進行特定Zeeman能級態(tài)制備的實驗有重要的參考價值.

1 實驗裝置

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,激光二極管的型號為#LD-0780-0150 -2,在工作溫度為19.9℃時,其中心輸出波長為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隔離器(40 dB),以排除反饋光對激光器頻率穩(wěn)定性的影響.然后激光經(jīng)過一個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,當工作電流為1 945 mA,工作溫度為24℃,注入光功率為35 mW時,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兩個透鏡構(gòu)成的望遠鏡系統(tǒng)將光斑直徑擴大.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,彼此進入銣原子氣室中,六束激光的交點為磁光阱系統(tǒng)的磁場零點,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能級下133MHz處.經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)后,該激光頻率藍移120 MHz.最后輸出激光的頻率穩(wěn)定運轉(zhuǎn)在5P3/2F’=3負失諧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原子的實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup of cooling and traping87Rb atoms

在磁光阱(MOT)系統(tǒng)中,梯度磁場由一對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.磁場線圈用直徑為1.3 mm的漆包線繞制而成,整個線圈的直徑為120 mm,匝數(shù)約為100,通過電流為3 A時,實驗測得在MOT中心處產(chǎn)生的軸向磁場梯度大約為10 Gauss/cm.

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

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

圖3 是冷原子能級結(jié)構(gòu)示意圖,在原子的冷卻過程中,為了防止被激發(fā)到上能級的原子因自發(fā)輻射返回到基態(tài)能級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,參與對原子的俘獲.冷卻俘獲過程中,我們利用CCD攝像機對磁光阱中俘獲的冷原子團進行實時觀測和記錄.

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上,進行原子在基態(tài)能級布居數(shù)分布的測量.探針光由另外的一臺光柵反饋半導(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(防止光反饋對激光頻率穩(wěn)定性的影響)后,繼續(xù)通過兩個聲光調(diào)制器(AOM1, AOM2)以保證頻率不變進入原子云.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 實驗采用時序控制示意圖Fig.5 Sequence control signals.From top to bottom are:cooling beam, repumping beam,MOTB-field and probe beam

2 實驗結(jié)果

冷卻光,再泵浦光,探針光,磁場的開關(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)分別進行開啟和關(guān)斷控制,采用的控制時序如圖5所示.磁光阱俘獲原子的時間約為900 ms,原子被俘獲后,關(guān)閉磁場.由于關(guān)閉磁場需要一定的時間(約200μs),而我們實驗上是在磁場關(guān)閉后約300μs進行測量,這樣就可以有效地排除剩余磁場的影響.我們通過觀察冷原子云對探針光(5S1/2,F=1→5P1/2,F′=1, 5S1/2,F=2→5P1/2,F′=1)的吸收信號來進行原子布居數(shù)分布的測量,觀察到的吸收信號用自制的探測器(FND100)進行探測.

實驗中,我們測量了探針光吸收信號隨冷卻光延遲時間(相對于MOT系統(tǒng)的磁場,再泵浦光的關(guān)斷時刻)的變化.圖6a是延遲時間為0μs時(冷卻光與再泵浦光同時關(guān)斷)測得的探針光的吸收信號,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的吸收信號基本為零,圖6b,c,d對應(yīng)于冷卻光相對于再泵浦光分別延遲了100μs,500μs,1 500μs時觀察到的探針光的吸收信號,可以看到,隨著冷卻光相對于再泵浦光延遲時間的增加,冷卻光作用時間的延長,探針光的吸收信號在逐漸增大,即能級5S1/2,F=1的原子數(shù)在逐漸增多,能級5S1/2,F=2上的原子數(shù)在減少.當延遲達到1 500μs時可以看到吸收信號已經(jīng)達到最大,不再變化,即我們已經(jīng)將大部分原子制備到基態(tài)能級5S1/2,F=1上.

圖6 冷卻光相對于再泵浦光在不同關(guān)斷時間情況下,探針光的透射信號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量了探針光的吸收信號.圖7a,b,c,d為冷卻光延遲0μs,100μs,500μs,1 500μs時觀察到的探針光的吸收信號.圖7a吸收信號最大,表明原子在5P1/2,F=2上最多.可以看到,隨著冷卻光相對于再泵浦光延遲時間的增加,探針光的吸收信號在逐漸降低,即能級5S1/2,F=2的原子數(shù)在逐漸減少.但是,當冷卻光相對于再泵浦光關(guān)斷時間延遲的足夠長時,在基態(tài)能級5S1/2,F=2上依然有少部分原子存在,這主要是由于磁場關(guān)閉后,冷卻光的兩正交偏振光和不同的zeeman子能級作用(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5S1/2,F=2上,無法向高能級躍遷.

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

對于Rb原子,只有兩個基態(tài)能級,我們同時測量探針光在兩個基態(tài)能級上吸收信號的大小,即可判斷基態(tài)能級上原子布局數(shù)分部情況.

3 結(jié)論

本文介紹了在冷原子系統(tǒng)中一種簡易的改變原子在基態(tài)能級布居數(shù)分布的方法.利用時序控制開關(guān),精確的改變冷卻光與再泵浦光開關(guān)的相對時間,通過延遲冷卻光的關(guān)斷時間,延長冷卻光的作用時間,實現(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,暗態(tài)極子的操控等實驗研究提供基礎(chǔ).

[1] DUAN Lu-ming,CIRAL J I,ZOLLER P,et al.Quantum Communication Between Atomic Ensembles Using Coherent Light[J]. Phys Rev Lett,2000,85:5643-5646.

[2] OTTAV I AN IC,REB IS,V ITAL ID,et al.Quantum Phase-gateOperationBased onNonlinearOptics:FullQuantum Analysis[J]. Phys Rev A,2006,73:010301.

[3] OTTAV I AN IC,V ITAL ID,ARTON IM,et al.Polarization Qubit Phase Gate in Driven Atomic Media[J].Phys Rev Lett,2003, 90:197902.

[4] LENE VESTERGARRD HAU,HARR IS S E,ZACHARYDUTTON,et al.Behroozi.Light Speed Reduction to 17Metres Persecon in an Ultracold Atomic Gas[J].Nature,1999,397:594-598.

[5] ZHAO R,DUD I N YO,JENKI NS SD,et al.Long-lived Quantum Memory[J].Nature Phys,2009,5(2):100-104.

[6] WANGBo,HAN Yan-xu,XI AO Jin-tao,et al.Preparation and Deter mination of Spin-Polarized States in Multi-Zeeman-sublevel Atoms[J].Phys Rev A,2007,75:051801.

[7] MONROE C,S WANN W,ROB I NSON H,et al.Very Cold Trapped Atoms in a Vapor Cell[J].Phys Rev Lett,1990,65:1571-1574.

[8] BL I NOV B B,MOEHR I NGD L,DUAN L,M,et al.Observation of Entanglement between a Single Trapped Atom and a Single Photon[J].Nature,2004,428:153-157.

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

國家自然科學基金(10874106;60821004;10904086);高等學校博士學科點專項科研基金(20060108002);973計劃(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