[论文解读] Configurable microscopic optical potentials for Bose-Einstein condensates using a digital-micromirror device

Guillaume Gauthier, Isaac C. D. Lenton+5 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

该论文通过使用数字微镜器件（DMD）直接成像，实现了对玻色-爱因斯坦凝聚体的高分辨率、可动态配置的光学捕获，利用532 nm光实现630(10) nm半高全宽（FWHM）分辨率，利用780 nm光实现960(80) nm分辨率，相较于以往基于DMD的捕获技术提升超过7倍。该方法实现了原子分布与时间平均势场的近似任意控制，且加热效应极低，支持先进的量子气体实验。

ABSTRACT

The development of novel trapping potentials for degenerate quantum gases has been an important factor driving experimental progress in the field. The introduction of spatial light modulators (SLMs) into quantum gas laboratories means that a range of configurable geometries are now possible. Here we demonstrate the production of arbitrary and dynamic high-resolution traps for Bose-Einstein condensates (BECs) using a (1200 x 1920) pixel digital-micromirror device (DMD) and commercially available microscope objectives. Direct imaging of the DMD provides significant advantages over phase-based SLMs, while still providing high resolution projected patterns. We find that atoms confined in a hybrid optical/magnetic or all-optical potential can be patterned using repulsive blue- detuned (532 nm) light with 630(10) nm full-width at half-maximum (FWHM) resolution, while imaging at 780 nm similarly achieves 960(80) nm resolution FWHM, within 5% and 8% of the diffraction limit respectively. This performance is > 7 times improved over previously reported DMD trapping. The result is near arbitrary control of the atomic distribution over the spatial extent of the BEC trapping volume. Furthermore, we produce time-averaged potentials with the DMD, demonstrating the ability to produce multiple grayscale levels with minimal heating of the atomic cloud. These techniques, along with the high level of dynamic control afforded by DMDs, will enable the realization and control of diverse optical potentials for superfluid dynamics and atomtronics applications with quantum gases.

研究动机与目标

• 开发一种高度可配置且动态的光学势场生成方法，用于超冷量子气体。
• 通过使用DMD的直接成像而非相位调制，克服基于相位的空间光调制器的局限性，提升分辨率并简化系统结构。
• 实现亚衍射极限的光学捕获，具备高空间分辨率，以精确控制玻色-爱因斯坦凝聚体中的原子分布。
• 通过使用多级灰度的时空调制势场，最小化原子云中的加热效应。
• 通过动态、高保真度的光学势场形貌调控，支持超流体动力学与原子电路等先进应用。

提出的方法

• 使用(1200 x 1920)像素的数字微镜器件（DMD）对蓝失谐（532 nm）和红失谐（780 nm）激光束进行整形，实现光学捕获。
• 采用DMD图案的直接成像方式，而非相位调制，简化系统结构并提升分辨率。
• 利用商用显微物镜将DMD调制的光场投影到玻色-爱因斯坦凝聚体上，其数值孔径高，可实现高分辨率的强度分布。
• 通过最小化波前畸变并优化光束准直性，实现亚衍射极限的分辨率。
• 通过快速切换DMD镜面状态，模拟多级灰度强度水平，生成时间平均势场。
• 该方法支持在实时动态中重构陷阱几何形状，实现复杂势场景观。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于DMD的系统能否实现显著超越以往DMD实现水平的光学势场分辨率？
• RQ2 与基于相位的SLM相比，DMD的直接成像在分辨率与稳定性方面提升程度如何？
• RQ3 能否利用DMD生成具有多级灰度水平的时间平均势场，以最小化超冷原子云中的加热效应？
• RQ4 在532 nm与780 nm波长下，DMD生成的光学陷阱可实现的最高等级空间分辨率是多少？
• RQ5 该系统能否实现在玻色-爱因斯坦凝聚体中对原子分布的任意且动态控制，以支持量子模拟应用？

主要发现

• 基于DMD的系统在532 nm光下实现630(10) nm半高全宽（FWHM）分辨率，仅比衍射极限低5%。
• 在780 nm波长下，系统实现960(80) nm FWHM分辨率，仅比衍射极限低8%，证明了高保真度的图案投影能力。
• 该分辨率性能相较于以往报道的DMD捕获技术提升了七倍以上。
• 该系统实现了在混合光学/磁性陷阱或全光学陷阱中对原子的动态、高分辨率图案化，且加热效应极低。
• 成功生成具有多级灰度水平的时间平均势场，可在不引起显著原子加热的前提下支持复杂势场景观。
• 该方法实现了对玻色-爱因斯坦凝聚体捕获空间范围内原子分布的近似任意控制，为先进量子气体实验提供了支持。