載入與儲存冷原子至光偶極陷阱之研究

Studies of loading and storage of cold atoms in an optical dipole trap

洪偉倫(Hung, Weilun)

指導教授 ： 余怡德

國立清華大學/理學院/物理學系/博士(2013年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2013.00033

摘要

為了能進行單光子與原子的非線性光學實驗，我們藉由光偶極陷阱提升原子團的光學密度及原子密度。本文探討轉移冷原子到光偶極陷阱的過程，內容包含如何最佳化時間式黑暗型磁光陷阱、空間式黑暗型磁光陷阱與平均時變磁陷阱的實驗參數，以及在不同三種情況下，原子移轉到光偶極陷阱過程的討論。
我們進一步研究如何延長銣原子被捕捉於光偶極陷阱內的儲存時間。若原子分佈於|F = 2>的所有黎曼態，則碰撞造成原子的能態改變，從高能態的|F = 2>躍遷至低能態的|F = 1>，原子得到動能而離開光偶極陷阱。我們將原子儲存在較低能態的|F = 1>或單一黎曼態(|F = 2，m = 2>或|F = 2，m = -2>)可大幅度提升儲存時間，維持光偶極陷阱內原子在特定黎曼態需要於實驗中加入大於4.3 Gauss的均勻磁場。
陷阱深度850 μK的光偶極陷阱下，實驗結果可以捕捉到原子數量為5.6E6、溫度為57 μK。推算陷阱中心原子密度可達6E13cm(-3)，換算波長三次方的體積內有120顆原子。

關鍵字

光偶極陷阱 ； 磁光陷阱 ； 平均時變磁陷阱 ； 都卜勒冷卻

並列摘要

This thesis focuses on transferring cold atoms into an optical dipole trap (ODT). Optical density as well as number density of the cold atoms confined in the ODT can be achieved to a sufficiently high level that is suitable for single-photon nonlinear optics experiments. We studied the processes of loading cold atoms into the ODT from a temporal dark magnetic-optical trap (MOT), a spatial dark MOT, and a time-averaged orbiting potential (TOP) magnetic trap.
We further investigated how to prolong the storage time of the atoms captured in the ODT. A rapid loss of the atoms distributed among all the Zeeman states of the hyperfine level |F=2>is due to the hyperfine-changing collision. To increase the storage time, we optically pumped the atoms either to the hyperfine level |F=1> or to a single Zeeman state of |F=2, m=2>or |F=2, m=2>. In the latter case, a uniform magnetic field larger than 4.3 G was applied.
We were able to load 5.6106 87Rb atoms with a temperature of 57μK into the ODT with a trap depth of 850 μK from the TOP magnetic trap. Under this condition, the peak number density of the atoms can be as high as 61013 cm-3, i.e. 120 atoms within the volume of 3 where  is the wavelength of light.

並列關鍵字

optical dipole trap ； magneto-optical trap ； time-averaged orbiting potential trap ； Doppler cooling

參考文獻

連健宇，“利用光脈衝存取之全光學開關的理論研究”，國立清華大學，碩士論文，民國94年。

陳易馨，“利用停止不移動的光脈衝所建立之全光學開關”，國立清華大學，博士論文，民國100年。

王彰義，“捕捉於光子晶體光纖中低溫原子的數目及生命期之研究”，國立清華大學，博士論文，民國99年。

卓鴻文，“銣87原子的玻色-愛因斯坦凝結及玻色凝結體中電磁引發透明效應之研究”，國立清華大學，博士論文，民國96年。

陳漢璋，“玻色凝結體形成過程之探討”，國立清華大學，碩士論文，民國94年。