[论文解读] Mollow triplet in cold atoms

Luis Ortiz-Gutiérrez, R Teixeira+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 42被引用 33

一句话总结

本论文通过外差光谱法和强度关联测量，首次实现了对冷原子云中 Mollow 三峰结构的定量观测。通过使用强圆偏振激光束驱动 ⁸⁵Rb 原子云，并最小化非均匀展宽，作者在实验与理论之间实现了极好的一致性，证实了三峰的光谱结构，并揭示了温度和光束尺寸对光谱的影响。

ABSTRACT

In this paper, we measure the spectrum of light scattered by a cold atomic cloud driven by a strong laser beam. The experimental technique is based on heterodyne spectroscopy coupled to single-photon detectors and intensity correlations. At resonance, we observe the Mollow triplet. This spectrum is quantitatively compared to the theoretical one, emphasizing the influence of the temperature of the cloud and the finite-size of the laser beam. Off resonance measurements are also done showing a very good agreement with theory.

研究动机与目标

• 在具有低多普勒展宽和高光学密度的冷原子云中观测 Mollow 三峰结构。
• 通过考虑温度和有限激光光束尺寸引起的非均匀展宽，实现实验与理论之间的定量一致。
• 展示利用单光子探测与拍频技术，在多原子系统中实现高信噪比观测 Mollow 三峰的可行性。
• 研究偏振与强度调制对 Mollow 三峰信号可见度与保真度的影响。
• 通过交替使用激光束，避免驻波效应与空间 Rabi 频率调制，为系统提供接近两能级系统的行为环境。

提出的方法

• 采用拍频技术的外差光谱法，以高灵敏度探测散射光谱。
• 通过带时间标记的雪崩光电二极管（APDs）进行单光子探测，实现光子计数与强度关联测量。
• 使用反向传播、交替的激光束，且偏振态相同（均为圆偏振），以避免驻波形成，并确保 Rabi 驱动的均匀性。
• 通过主从频差锁频方案实现激光频率锁定，精确控制失谐量与光强。
• 利用 λ/2 和 λ/4 波片控制偏振，选择 ⁸⁵Rb 中唯一的闭合跃迁（F=3 → F'=4）。
• 通过保持偏振的单模光纤收集散射光，并与本振光混合，实现外差探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在非均匀展宽极小的冷原子云中实现 Mollow 三峰的定量观测？
• RQ2 原子云的温度与有限激光光束尺寸如何影响 Mollow 三峰的光谱形状？
• RQ3 在多原子系统中，偏振与强度调制在保持 Mollow 三峰光谱特征方面起什么作用？
• RQ4 在高密度原子云中，多次散射或协同效应在多大程度上改变 Mollow 三峰结构？
• RQ5 实验测量的弹性与非弹性散射强度在非共振条件下与理论预测的符合程度如何？

主要发现

• 在共振条件下清晰观测到 Mollow 三峰，包含中心峰与两个对称侧峰，证实了冷原子云中预期的三峰结构。
• 在考虑温度与有限光束尺寸引起的非均匀展宽后，实验与理论实现定量一致。
• 非共振测量显示，测得的弹性与非弹性散射强度与理论预测高度一致。
• 采用交替的圆偏振激光束成功避免了驻波效应，并维持了均匀的 Rabi 驱动，这对观测清晰的 Mollow 三峰至关重要。
• 通过外差探测与单光子计数，实验装置实现了高灵敏度，能够以高信噪比探测微弱散射光。
• 结果表明，冷原子云是研究 Mollow 三峰的可行且具有优势的平台，具备高精度与低退相干特性。