高精細度微光學(xué)腔及單原子的控制與測量

高精細度微光學(xué)腔及單原子的控制與測量【摘要】：腔量子電動力學(xué)(CavityQED)主要研究受限系統(tǒng)中量子化電磁場和原子之間的相互作用。該系統(tǒng)不但可以檢驗量子物理的基本理論，有助于人們從根本上認識光與原子相互作用的過程，而且近年來作為量子信息的一種方案引起了人們的高度關(guān)注。在強耦合腔量子電動力學(xué)過程中，單個原子與單個光子相互作用的拉比(Rabi)頻率遠大于腔場的衰減率和原子的自發(fā)輻射率，即腔內(nèi)光與原子的相干相互作用強于整個系統(tǒng)的消相干過程，原子和腔場之間的演化在一定范圍內(nèi)可以看成相干演化過程，腔QED系統(tǒng)也因此成為研究光場與原子糾纏和消相干過程的重要手段。對腔QED過程的研究極大地促進了原子操控、單粒子測量等多方面的發(fā)展。一方面，隨著激光冷卻和俘獲中性原子技術(shù)的發(fā)展成熟，人們可以將一團原子甚至于單個原子俘獲在空間中特定的范圍，并冷卻到接近絕對零度。但是如何在微腔中確定性地控制單個原子并對其進行測量是光頻區(qū)腔QED實驗面臨的一個主要問題。本文系統(tǒng)回顧了腔QED實驗中內(nèi)腔單原子的制備方案，并提出利用微光學(xué)偶極阱的單原子隔離效應(yīng)實現(xiàn)微腔內(nèi)確定性單原子的俘獲方案。在實驗上我們采用雙級磁光阱，利用原子自由下落的實驗方案建立了自己的實驗系統(tǒng)，在一定程度上獲得了原子的控制。另一方面，光頻區(qū)腔QED實驗應(yīng)用腔長極短(幾十到幾百微米)的超高精細度(幾十萬到一百萬)的光學(xué)F-P腔作為光子和原子相互作用的環(huán)境。由于光學(xué)F-P腔極高的精細度，內(nèi)腔光場的的衰減率非常小；同時極短的腔長可以增強單個原子的電場強度，增大光子與原子之間的相互作用(即拉比頻率)，從而使整個系統(tǒng)達到強耦合。光學(xué)微腔的建立、測量和控制是整個實驗過程中的另一個重要環(huán)節(jié)。本文詳細介紹了光學(xué)微腔的搭建和參數(shù)的測量過程，并對微腔鎖定和操控系統(tǒng)的實現(xiàn)做了具體的分析，最終實現(xiàn)了微腔的鎖定并在實驗上觀察到原子自由下落穿過微腔的信號。同時，對于腔QED實驗系統(tǒng)這樣一個開放系統(tǒng)，只能通過微腔腔鏡的透射信號獲得腔內(nèi)的光場與原子相互作用的信息，并通過透射光場獲得原子的控制等。對于強耦合的腔QED系統(tǒng)，平均內(nèi)腔光子數(shù)非常小，微腔出射光一般在pW量級。因此建立單粒子(單原子、單光子)水平上的測量系統(tǒng)是實驗的另一個重要方面。本文從平衡差拍探測和單光子計數(shù)兩方面分析了基于腔QED中的測量問題，建立了靈敏的測量系統(tǒng)。綜合上面的幾個方面，圍繞腔QED系統(tǒng)中的若干問題，本文完成了以下的具體工作：1．用曲率半徑為10mm的一對腔鏡搭建了用于腔QED實驗的光學(xué)微腔，并嚴格測量了其有效腔長和幾何腔長分別為L_(eff)＝44.627±0.004μm和L＝43.900±0.005μm，線寬為△v＝47.8±1.5MHz，對應(yīng)的光和原子的最大耦合系數(shù)和腔場衰減率分別為2π×39.2MHz和2π×23.9MHz。對比銫原子D2線的能級衰減率2π×2.61MHz，相應(yīng)的臨界光子數(shù)和臨界原子數(shù)分別為m_o＝0.0022和N_o=0.081。該光學(xué)微腔滿足光場與原子之間強耦合的要求。2．系統(tǒng)分析了高精細度光學(xué)F-P腔的透射和反射，并在實驗上通過對微腔兩端入射光場的功率透射率和反射率以及相應(yīng)的模式匹配效率的精確測量，在較高的精度上確定了任意非對稱高精細度光學(xué)腔的有用和無用損耗，確定了實驗所用微光學(xué)腔的透射和其他損耗分別為：T_1=5.0(9)ppm，T_2=4.5(8)ppm,l_1=33.2(7)ppm，l_2=45.4(6)ppm。3．自制了探測帶寬為100MHz的射頻探測器，并用其搭建了一套測量靈敏度可達3.6fW的差拍探測系統(tǒng)。對于我們建立起來的光學(xué)微腔，用其可以探測到的最小內(nèi)腔平均光子數(shù)為0.001。4．建立了一個基于實際系統(tǒng)的模型，從理論上分析了由兩個單光子探測模塊(SPCM)組成的HB7探測系統(tǒng)對各種光場二階相干度和Mandel因子測量時，由于多種因素，包括SPCM不能同時相應(yīng)多個光子的特性、背景光場和有限的探測效率等，對實際結(jié)果的影響，并從實驗上通過對相干光和熱光場二階相干度的測量證實了理論分析。5．系統(tǒng)分析了腔QED系統(tǒng)中微腔腔長的穩(wěn)定性要求和其鎖定環(huán)路中的噪聲要求，并采用射頻邊帶鎖頻技術(shù)，利用微腔透射光場將微腔鎖定到透射峰的0.1，對應(yīng)的微腔長度起伏小于2pm。6．在實驗上用斬波法實現(xiàn)對微腔的控制，并利用用差拍探測系統(tǒng)觀察到銫原子自由下落時在微腔腔模中的渡越信號。【關(guān)鍵詞】：腔量子電動力學(xué)高精細度光學(xué)微腔單光子單原子差拍探測光子計數(shù)HBT探測

【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)

【學(xué)位級別】：博士

【學(xué)位授予年份】：2007

【分類號】：O431.2

【目錄】：中文摘要4-6ABSTRACT6-10目錄10-16第一章緒論16-281.1引言16-171.2強耦合腔QED17-201.2.1腔QED的基本理論與強耦合條件17-191.2.2腔QED的應(yīng)用19-201.3腔QED的發(fā)展及現(xiàn)狀20-241.3.1微波區(qū)腔QED進展20-221.3.2光頻區(qū)腔QED進展22-241.3.3其他腔QED系統(tǒng)的進展241.4光頻區(qū)腔QED系統(tǒng)的實現(xiàn)24-251.4.1原子的控制241.4.2微腔的建立、測量和控制24-251.4.3腔QED實驗的測量251.5國內(nèi)腔QED研究狀況和本文結(jié)構(gòu)安排25-28第二章微腔中的原子28-382.1引言28-292.2微光學(xué)腔中單原子的制備29-342.2.1自由下落29-302.2.2“原子噴泉”30-312.2.3原子傳送帶31-322.2.4利用單原子隔離效應(yīng)在微腔中俘獲確定性的單原子32-342.3我們的系統(tǒng)34-38第三章高精細度光學(xué)微腔的構(gòu)建及測量38-603.1引言38-413.2高精度光學(xué)微腔41-443.2.1高精細度微光學(xué)腔的搭建41-433.2.2高精細度微腔的固定和隔振系統(tǒng)43-443.3高精細度光學(xué)微腔參數(shù)的測量44-523.3.1微腔的匹配44-453.3.2腔長的測量45-493.3.3微腔雙折射的測量49-513.3.4線寬的測量513.3.5腔QED參數(shù)51-523.4微腔腔鏡透射率和其他損耗的測量52-593.4.1理論模型53-553.4.2實驗測量55-593.5小結(jié)59-60第四章腔QED中的測量方法60-924.1引言604.2光學(xué)平衡差拍探測60-704.2.1原理60-644.2.2探測器64-664.2.3光學(xué)平衡差拍探測的實現(xiàn)66-704.3光子計數(shù)方法70-904.3.1數(shù)據(jù)采集卡P7888714.3.2單光子計數(shù)模塊(SPCM)71-794.3.2.1結(jié)構(gòu)71-734.3.2.2工作原理73-764.3.2.3暗計數(shù)和后脈沖76-784.3.2.4量子效率的測量78-794.3.3用SPCM分析光場統(tǒng)計特性的理論研究79-884.3.3.1理論模型80-824.3.3.2被測光場為相干光場|φ〉的結(jié)果824.3.3.3被測光場為單光子光場|1〉的結(jié)果82-844.3.3.4被測光場為熱光場時的結(jié)果84-864.3.3.5被測光場為壓縮真空態(tài)時的結(jié)果86-884.3.4相干光場和熱光場二階相干度的測量88-904.4小結(jié)90-92第五章微腔的控制和原子在腔內(nèi)的渡越92-1105.1引言92-935.1.1斬波方案概述925.1.2頻率鏈方案概述92-935.2微腔的鎖定93-985.2.1鎖腔回路中的噪聲93-945.2.2PZT的共振頻率和陷頻濾波器(NotchFilter)94-975.2.3微腔腔長的鎖定97-985.3鈦寶石激光器頻率相對于銫原子D2線的鎖定98-1005.4原子的實時渡越100-1055.