[论文解读] Laser-cooled atoms inside a hollow-core photonic-crystal fiber

Michal Bajcsy, Sebastian Hofferberth+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Apr 27, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文展示了将激光冷却的铷原子高效装载入单模空芯光子晶体光纤（PCF）中，原子在远失谐光学偶极阱中被捕获，并通过导引的共振光束进行探测。该方法实现了约180的光学深度——比以往工作高出六倍——从而在少光子水平上实现了强原子-光子相互作用，适用于量子光学应用。

ABSTRACT

We describe the loading of laser-cooled rubidium atoms into a single-mode hollow-core photonic-crystal fiber. Inside the fiber, the atoms are confined by a far-detuned optical trap and probed by a weak resonant beam. We describe different loading methods and compare their trade-offs in terms of implementation complexity and atom-loading efficiency. The most efficient procedure results in loading of ~30,000 rubidium atoms, which creates a medium with optical depth ~180 inside the fiber. Compared to our earlier study this represents a six-fold increase in maximum achieved optical depth in this system.

研究动机与目标

• 开发一种将激光冷却原子可靠装载入空芯光子晶体光纤以用于量子光学实验的方法。
• 在光纤内受限的原子系综中实现高光学深度，以实现强光-物质相互作用。
• 表征被捕获原子的温度、寿命及空间分布，以用于量子信息与非线性光学研究。
• 通过同一根光纤导引的光实现原子的捕获与探测，促进集成光子-原子系统的发展。
• 通过使用低损耗、单模导引的单模PCF，克服以往基于毛细管系统的局限性，实现捕获光束与探测光束的高效单模导引。

提出的方法

• 原子首先在磁光阱（MOT）中冷却，随后被转移至由聚焦于PCF空芯中的高斯光束形成的光纤耦合远失谐光学偶极阱中。
• 偶极阱由波长为1064 nm的激光束产生，该光束被紧密聚焦于PCF核心，形成横向势阱，实现原子的径向约束。
• 波长为780 nm的弱共振探测光束被耦合进入同一根PCF，通过光子带隙效应在空芯中导引光，从而探测原子系综。
• 通过调节MOT尺寸、阱光束强度以及偶极阱激活时间与MOT释放时间的相对关系，优化装载效率。
• 通过测量从光纤阱中释放原子后重新捕获至MOT的效率，提取原子的径向温度与原子云尺寸。
• 光学深度通过测量探测光的吸收获得，假设径向密度分布为高斯分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空芯光子晶体光纤中限制的激光冷却原子系综中，可实现的最大光学深度是多少？
• RQ2 激光冷却原子装载入PCF的效率如何依赖于实验参数（如MOT尺寸和阱光束强度）？
• RQ3 原子转移至基于光纤的偶极阱后，其温度与空间分布如何？
• RQ4 能否在保持强原子-光相互作用的前提下，高效地将捕获光与探测光同时导引于同一根PCF中？
• RQ5 装载过程在多大程度上是绝热的？原子云的相空间密度在转移过程中如何演化？

主要发现

• 最高效的装载程序可使约30,000个铷原子被捕获于光纤核心内。
• 系统实现了约180的光学深度，比以往类似系统报道的最大值高出六倍。
• 被捕获原子云的温度测量值为~1.6 mK，径向原子云尺寸为~2.2 μm，表明具有高度的横向约束。
• 光纤中原子云的相空间密度约为10⁻⁷，与原始MOT的峰值相空间密度一致，证实了绝热转移过程。
• 被捕获原子的寿命超过100 ms，为光学探测与量子实验提供了充足时间。
• 原子云的径向密度分布可用高斯分布良好描述，与光学深度和温度分析中所作假设一致。