冷却光泵浦效应对原子布居数分布影响的实验研究

张利军,赵兴波,徐忠孝,武跃龙,李淑静,王 海

冷却光泵浦效应对原子布居数分布影响的实验研究

张利军,赵兴波,徐忠孝,武跃龙,李淑静,王 海＊

(量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学光电研究所,山西太原030006)

在Rb原子冷却俘获磁光阱(MOT)系统中,通过MOT系统的时序控制,我们研究了冷却光关断时间的延迟对原子在基态能级布居数分布的影响.实验中,冷却光的开关由声光调制器(AOM)控制,通过测量探针光经过冷原子云后吸收信号的大小,分析基态能级上原子布居数分布与冷却光关断时间的关系.实验表明,随着冷却光延迟时间的增加,原子在能级F=2上的布居数在减少,能级F=1上的布居数在增加.

冷原子;冷却光;再泵浦光;布居数分布

0 引言

随着激光冷却中性原子研究的不断发展,利用激光冷却中性原子的技术不断提高.冷原子介质具有速度低,多普勒展宽窄,相干性好等优良的特性.因此将冷原子作为实验介质进行原子物理和量子光学的实验研究是目前许多实验小组研究的热点.光子传播速度快,且不易受外界环境干扰,是进行量子通讯研究的理想载体[1],原子易于局域在空间所需的位置,是量子信息存储的理想单元.当光与多能级原子相互作用时,由量子相干导致的电磁感应透明效应(EIT)具有吸收小、色散强等特性,可用来增强介质克尔非线性效应[2,3]和降低光群速度[4],这为实现量子相位门[2]、光存储[5]和光与原子系综的纠缠[6]等实验的进行提供了有效工具.近年来,人们提出了许多利用EIT效应进行量子信息处理的方案,通常进行量子信息处理所使用的原子,如Rb,Cs,它们具有两个超精细基态能级.这些方案中有许多实验的实施就要求将原子制备到特定的基态能级上[7].目前进行态制备的主要手段是利用泵浦光的泵浦效应,通过选择合适的耦合光和泵浦光的偏振方向,原子可以被高纯度地制备到需要的能态上.在热原子中,基态能级上原子的分布服从玻尔兹曼分布,即各自以1/2的概率分布在两基态能级上.在冷原子系统中,冷却光的作用时间对原子在两基态能级上的布居数分布有很大的影响.本文利用时序控制系统,通过精确地控制冷却光与再泵浦光开关的相对时间延迟,研究了冷却光关断时间延迟对原子在基态能级布居数分布的影响.实验表明,随着冷却光延迟时间的增加,原子在能级F=2上的布居数在减少,能级F=1上的布居数在增加.该方法对于许多需要进行特定Zeeman能级态制备的实验有重要的参考价值.

1 实验装置

激光冷却与俘获中性原子的系统如图1所示,主激光器是德国Toptica公司生产的光栅反馈半导体激光器(DL100),该半导体激光器采用Littow结构光栅反馈方式调谐频率,激光二极管的型号为#LD-0780-0150 -2,在工作温度为19.9℃时,其中心输出波长为780.232 nm,典型输出功率是120 mW.主激光器输出的激光先通过一个隔离器(40 dB),以排除反馈光对激光器频率稳定性的影响.然后激光经过一个λ/2波片和偏振分束棱镜,被分为两部分,其中功率较弱的部分被入射到饱和吸收装置用于激光频率锁定,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国Toptica公司生产的,当工作电流为1 945 mA,工作温度为24℃,注入光功率为35 mW时,我们得到了800 mW的输出光.经过隔离器及光纤整形后得到了370 mW的输出光,再经过声光调制器(AOM)后,得到了功率约为250 mW的正一级衍射光.输出的激光经过分光系统将光均匀地分为3束,每一束再经过由焦距分别为50 mm和600 mm两个透镜构成的望远镜系统将光斑直径扩大.再用λ/2波片、偏振分束棱镜、λ/4波片将每束激光平均分为功率相同,转播方向相反的两束(左,右)圆偏振光,彼此进入铷原子气室中,六束激光的交点为磁光阱系统的磁场零点,俘获原子的磁光阱系统如图2[8]所示.在俘获冷原子过程中,我们将主激光器的频率锁定在87Rb原子5S1/2F=2→5P3/2F’=2,3(D2线)跃迁的交叉线上,此交叉线位于5P3/2F’=3能级下133MHz处.经过声光调制器(AOM)后,该激光频率蓝移120 MHz.最后输出激光的频率稳定运转在5P3/2F’=3负失谐13 MHz处.铷原子气室外形尺寸为4 cm×4 cm×10.5 cm,室温下利用离子泵维持铷原子气室的真空度,真空度约为10-7Pa.

图1 冷却与俘获Rb87原子的实验装置图Fig.1 Experimental setup of cooling and traping87Rb atoms

在磁光阱(MOT)系统中,梯度磁场由一对自制亥姆霍兹线圈提供,亥姆霍兹线圈同轴反向沿竖直方向对称放置在铷原子气室两端.磁场线圈用直径为1.3 mm的漆包线绕制而成,整个线圈的直径为120 mm,匝数约为100,通过电流为3 A时,实验测得在MOT中心处产生的轴向磁场梯度大约为10 Gauss/cm.

图2 磁光阱示意图Fig.2 Magnetically-optical-trap system

图3 Rb87原子冷却能级图Fig.3 Energy levels of the cooling experi ments of87Rb atoms

图3 是冷原子能级结构示意图,在原子的冷却过程中,为了防止被激发到上能级的原子因自发辐射返回到基态能级5S1/2F=1上而不再参与冷却过程,保证冷却过程可以持续进行下去,我们用另外一束激光作为再泵浦光,再泵浦光共振作用在5S1/2F=1→5P3/2F’=1上,参与对原子的俘获.冷却俘获过程中,我们利用CCD摄像机对磁光阱中俘获的冷原子团进行实时观测和记录.

原子冷却俘获后,关闭MOT系统,将一束探针光作用于冷原子团上,进行原子在基态能级布居数分布的测量.探针光由另外的一台光栅反馈半导体激光器提供(德国Toptica公司生产的DL100),如图4所示.激光器输出的光经过隔离器(防止光反馈对激光频率稳定性的影响)后,继续通过两个声光调制器(AOM1, AOM2)以保证频率不变进入原子云.探针光光斑直径应略小于原子云直径,保证原子云完全覆盖住探针光.

图4 探针光光路:λ/2:二分之一波片;PBS:偏振分束棱镜;AOM:声光调制器Fig.4 Probe beam:λ/2:half-wave plate;PBS:polarizing beam splitter;AOM:acousto-opticalmodulators

图5 实验采用时序控制示意图Fig.5 Sequence control signals.From top to bottom are:cooling beam, repumping beam,MOTB-field and probe beam

2 实验结果

冷却光,再泵浦光,探针光,磁场的开关是由美国N I公司生产的16路数据采集卡,通过3套声光频移系统分别进行开启和关断控制,采用的控制时序如图5所示.磁光阱俘获原子的时间约为900 ms,原子被俘获后,关闭磁场.由于关闭磁场需要一定的时间(约200μs),而我们实验上是在磁场关闭后约300μs进行测量,这样就可以有效地排除剩余磁场的影响.我们通过观察冷原子云对探针光(5S1/2,F=1→5P1/2,F′=1, 5S1/2,F=2→5P1/2,F′=1)的吸收信号来进行原子布居数分布的测量,观察到的吸收信号用自制的探测器(FND100)进行探测.

实验中,我们测量了探针光吸收信号随冷却光延迟时间(相对于MOT系统的磁场,再泵浦光的关断时刻)的变化.图6a是延迟时间为0μs时(冷却光与再泵浦光同时关断)测得的探针光的吸收信号,由于再泵浦光的泵浦效应,原子大部分分布在5S1/2,F=2上.因此5S1/2,F=1→5P1/2,F′=1的吸收信号基本为零,图6b,c,d对应于冷却光相对于再泵浦光分别延迟了100μs,500μs,1 500μs时观察到的探针光的吸收信号,可以看到,随着冷却光相对于再泵浦光延迟时间的增加,冷却光作用时间的延长,探针光的吸收信号在逐渐增大,即能级5S1/2,F=1的原子数在逐渐增多,能级5S1/2,F=2上的原子数在减少.当延迟达到1 500μs时可以看到吸收信号已经达到最大,不再变化,即我们已经将大部分原子制备到基态能级5S1/2,F=1上.

图6 冷却光相对于再泵浦光在不同关断时间情况下,探针光的透射信号Fig.6 Trans mission spectra of probe beam when the cooling beam and the repumping beam are closed at the different time

随后,我们将探针光频率扫过原子5S1/2,F=2→5P1/2,F′=1的共振跃迁线,在不同的冷却光延迟条件下测量了探针光的吸收信号.图7a,b,c,d为冷却光延迟0μs,100μs,500μs,1 500μs时观察到的探针光的吸收信号.图7a吸收信号最大,表明原子在5P1/2,F=2上最多.可以看到,随着冷却光相对于再泵浦光延迟时间的增加,探针光的吸收信号在逐渐降低,即能级5S1/2,F=2的原子数在逐渐减少.但是,当冷却光相对于再泵浦光关断时间延迟的足够长时,在基态能级5S1/2,F=2上依然有少部分原子存在,这主要是由于磁场关闭后,冷却光的两正交偏振光和不同的zeeman子能级作用(如图7 b,c,d),引起量子相干效应,使原子被相干俘获(CPT)在基态能级5S1/2,F=2上,无法向高能级跃迁.

图7 冷却光相对于再泵浦光在不同关断时间情况下,探针光的透射信号Fig.7 Trans mission spectra of probe beam when the cooling beam and the repumping beam are closed at the different time

对于Rb原子,只有两个基态能级,我们同时测量探针光在两个基态能级上吸收信号的大小,即可判断基态能级上原子布局数分部情况.

3 结论

本文介绍了在冷原子系统中一种简易的改变原子在基态能级布居数分布的方法.利用时序控制开关,精确的改变冷却光与再泵浦光开关的相对时间,通过延迟冷却光的关断时间,延长冷却光的作用时间,实现了冷原子所需基态布居数的制备.为开展光量子存储,暗态极子的操控等实验研究提供基础.

[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

国家自然科学基金(10874106;60821004;10904086);高等学校博士学科点专项科研基金(20060108002);973计划(2010CB923100)

张利军(1984-),男,山西临县人,在读硕士.＊通讯作者:E-mail:wanghai@sxu.edu.cn