發展與改良光子晶體光纖捕捉冷原子的雷射系統

Development of the laser systems for capturing cold atoms in a photonic crystal fiber

李佳杰(Lee, Kevin C.J.)

指導教授 ： 余怡德

國立清華大學/理學院/物理學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00389

摘要

此論文主要重點是在建立捕捉冷原子進入一條中空型光子晶體光纖(Hollow-core photonic crystal fiber, HC-PCF)的雷射系統，在過去的實驗系統，使用850nm的雷射作為光偶極陷阱(Optical dipole trap, ODT)，陷阱深度約為700~800μK，已經可以捕捉到大約3000~4000顆的冷原子在HC-PCF之中，冷原子是藉由磁光陷阱(Magneto-optical trap,MOT)製造，冷原子在被捕捉至光纖內部後的生命周期大約為20ms，可以製造出光學密度(Optical density, OD)大約為3。

過去的實驗系統使用850nm的光偶極陷阱，因為波長距離原子共振能階780nm較遠，所以我們需要很強的光才能產生足夠的光偶極陷阱深度，可是強光要聚焦耦合進入直徑只有8.8μm的光纖內部，就會造成耦合不佳的時候，陷阱光開始燒光纖，光纖被破壞後，整個系統就必須重新來過，基於這個問題，我們就想開發新的光源來作為ODT，所以最後選擇了803nm的光源和一個MOPA來建立新的ODT。過去的實驗系統還有一個問題，就是我們沒屬於自己系統的780nm穩頻光源，以前都是向其他系統借光來做注入鎖頻(injection lock)，所以之後也決定我們必須架設一台屬於自己系統的780nm外腔雷射，在這個雷射的架設過程中，我們發現了許多問題，在本論文中會逐一討論，最後我們建立了一個模組化的微分鎖頻光路，在雷射穩頻後，在示波器上的顯示頻率不穩定度大約是2.05MHz。

在803nm外腔雷射和780nm外腔雷射的穩頻完成過後，我們就開始嘗試捕捉冷原子，陷阱深度可以達到1.3mK，原子溫度大約是100μK，但是捕捉效率一直不佳，最好的捕捉冷原子數目是190顆冷原子，這個結果也無法重複，在普通的系統狀態，我們只能捕捉到20多顆的冷原子，比起過去的系統而言反而是變差的，有許多問題我們已經排除，但也還有許多問題並未解決，在論文的第五章實驗結果中會詳細討論，在比較深的光偶極陷阱下捕捉效率反而變差，以理論上去推想是不合理的，但是我們也無法切換回過去的850nm光源來做交叉測試，因為HC-PCF的老化問題，讓850nm的光耦合率太差，如此一來，850nm光源就無法產生足夠深的陷阱來捕捉冷原子。未來可能考慮以803nm的光源在Free space下直接捕捉冷原子，以確認是否是光偶極陷阱光源的問題。

關鍵字

中空型光子晶體光纖 ； 光偶極陷阱 ； 外共振腔雷射 ； 磁光陷阱 ； 冷原子 ； 電磁波誘發透明

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Hollow core photonic crystal fiber ； Optical dipole trap ； External cavity diode laser ； Magneto-optical trap ； Cold atom ； Electromagnetically induced transparency

參考文獻

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