Охлаждение атомов в поверхностной световой волне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 Ой

1 а фев да

ЛКН КОКГКИЙ ОРДГНЛ ГРУДОПОП! КРАСНОГО ШЛМ1 ни фщнкот!;Х1иШ1я:Л11й И1)с I и г>т (Г<н\уларпшлниын Упинирппг-и

!!•• гранах рукописи 539.188

ЛАРЮШИН Дмитрии Виктороиич

„ ОХЛАЖДЕНИЕ АТОМОВ В ПОВЕРХНОСТНО!! СВЕТОВОЙ ВОЛНЕ

(сииШ1;и|.11ос.гь 01.04.03 - р;ипофн л>

АВТОРЕФЕРАТ ;|исс1'р1апин на соискание учспон сп исан капдшага фтико-матомашчсскнх наук

МОСКВА" - 19%

Работа выполнена на кафедре киантсшой оптики Московского физико-технического института. .

Научные руководители:, доктор физико-математических наук, профессор В.СЛетохов кандидат физико-математических наук Ю.Б.Овчшшиков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук М.А.Большов кандидат физико-математических наук В.А.Гринчук

Ведущая организация: .

Физический институт им- Н.П.Лебедсна РАИ

Защита состоится "ZЪ.OZ, 1997г. в ^ часои на заседании Диссертационного Ученого Сонета К 063.91.09 но присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Московском фи зико-те хи и ческом институте но адресу: 117393, г.Москва, уд.Профсоюзная 84/32, к.В2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского фнзико-технпческого института.

Овывы ианрашшть но адресу: 141700, ^Долгопрудный Московской обл., Институтский цер.9.

Автореферат разослан "2."? > 01. 1997г.

Учений секретарь •диссертационно госовета

П.Н.Чубинскин

_ ОБЩАЯ ХЛРЛКТКРИСШКЛ РАБОТЫ

Актуальное;»ь г« мм -■■ : '

Развитие методой управления проаранстистшым ; данже'ннгм атомов с помощью ••. • свеча" '.* ятшется бурно развивающимся направлением современной физики 11-3], . Одннм'-ТкГ наиболее яисчагляюпшх.. дос гижетгпТГ V этой области ии-ртг^окие

охлаждение атмоп,-.;.. ih¿i««nyrtUüo" uní? ' традиционных методов • крпшеяио« техиики. На сегодняшний день более era научных, лабораторий мира располагают техникой накоило'шя и охлаэдення атомных ансамблей ■ ло температур порядка/5-500 мкК, при характерных плотностях 10"-Ю'г ат./см3. Более изощрённые метлы позволяют спускаться по температурной шкапе н. обл'ас г.: паноКельвнн. ...............

, . • • < Латг'р'ное 'охлаждение находит широкое практическое применение п различных областях атомной фишки. И частности большой интерес представляет использование холотшлх атомных пучком и ансамблей атомов, пленённых в свет оных и магнитных лопушках, для пелен спектроскопии сверхвысокого ра'.решения и метрологии. Прогресс п лазерном мани пули puna» ни "йто'мами стимулирован интерес- К' исследованию дифракции и шгтерферешши атомных волн де Бройля. Получение в оптических лову тиках сильно • охлажденною ансамбли атомов, позволяет " изучать фнэтчес'кис особенности'' столкновений холодных атомов.

Огромный научный интерес пречетаялре''г исследование квантовых особенностей движения холодных аюмов и мапнпных и оптических ловушках. В течении 1995 ьуа а трех научных

лабораториях ' наблюдалась ВоБе-ШгШат конденсация ультрахолодных парах щелочных металлов, что стало, наверно* самым ^омким успехом лазерного охлаждения, выходящим далеко з рамки данной области.

Лазерное охлаждение атомов осущертвляется за счет неупругог рассеяния световых фотонов на атомах охлаждаемого газа. При это! для сохранения полной энергии системы "лазерное-поле + атом необходимо, чтобы рассеянные фотоны были более коротковолновые чем фотоны исходного лазерного поля.

В зависимости от конкретного способа .реализации этоп принципа существующие методы лазерного охлаждения атомов можн< разделить на два типа. Первый из них основан на эффекте Допплера благодаря которому частота рассеянного фотона больше частой начального на величину ¿V, гае к- волновой вектор, V - скорост; »атома [4]. Минимальная температура охлажденного, газа определяете: так называемым Допплеровским пределом Тв = Ну!ке, гну у радиационная полуширина атомного перехода [5].

В пространственно неоднородных световых полях существуе также другой механизм охлаждения атомов - "Сизифово охлаждение' [б]. В этом случае увеличение частоты спонтанно рассеиваемы; фотонов достигается за счет сдвига уровней атома в световом поле "Скорость .охлаждения атомов данным Методом может был существенно выше, чем в случае Допплеровского охлаждения, правд; минимальная температура охлаждаемых таким образом двухуровневы; атомов не может быть ниже Допплеровского предела.

Учет многоуровневой структуры реального атома позволяет лаждать атомный газ до субдопплеровских температур, используя :тод Сизифова охлаждения [7]. Минимальная температура атомного самбля в этом случае определяется энергией отдачи при спонтанном пускании фотона Г«Н'к' / 2Мк,. Этот фундаментальный предел, нако, достигается при охлаждении атомов в стоячей световой волне и условии, что интенсивность лазерного' ихтучення стремиться к шо. Другим недостатком охлаждения атомов в стоячей световой 7нс яапяется ограничение для максимальной шготности атомного а на уровне 1012 см"3, обуслоаченное днпольным взаимодействием таризованных в световом поле атомов.

Более эффективным представляется метод "Сизифова ]аждення"Г исч1олмуюш11и Ъптнческуго"'пакач^* между подуропнямн рхтонкой структуры основного состояния щелочного атома при отражении от поверхностной световой волны [8]. Этот метод воляет накапливать существенно большие плотности атомного гача I темпера]уре несколько мнкроКельвин.

3:(д;1чм д!Ксергационп()й работы

Диссертационная работа цоедяшена исследованию неупругого

ажения атомов от поверхностной световой волны и возможностей ользовашм данного эффекта для охлаждения атомных ансамблей.

Для решения поставленной задачи предполагалось:

Подгоюшпь леиерименкин.ную установку д.|я наблютення нншых режимов отражения теплового пучка атомов натрия от :р чпос пюн св-'ич'ои волны.

* Пронести экспериментальное исследование неунругого отражения агодюп натрия от поверхностной снеговой .полны. Определить оптимальные параметры светового поля джлаиболсе эфФС1аишюго охлаждения атомов при однократном отражении.

* Исследовать методом компьютерного моделирования влияние различных механизмов' на процесс формирования отраженного атомного пучка.

* Рассмотреть возможности использования эффекта .неупругого отражения атомов от поверхностной световой волны для охлаждения . атомных ансамблей в различных конфигурациях.

* Провести компьютерное исследование охлаждения атомов в полом сужающемся волноводе. Получить фактор увеличения атомной фазовой плотности в таком волноводе. . "

Научная повизпа и практическая ценпосгь^аГюты

* Впервые наблюдалось неупругое отражение ' -атомов от поверхностной световой волны. Были найдены оптимальные параметры светового поля для наиболее эффективного отбора кинетической энергии атомов при однократном отражении.

* Экспериментально установлен фактор максимального охлаждения атомов натрия при одном отражении от поверхностной световой волны.

* Рассмотрены возможности использования эффекта неупругого отражения атомов для охлаждения атомых ансамблей различных конфигураций. Показано, что наиболее рационально данный эффект

южет быть использован для дальнейшего ...охлаждении аюмов, •свобожлСииых из магнито-оптической ловушки.

Пре;иожсн и исследован методом .компьютерною -моделирования ркнн источник улмахолодных ато.мон. основанный на охлаждении и>мов в полом сулающсмся волноводе,' на внутренних стенках оторого создана поперх^остпп-т сгстская иолии., •

ОсППННЫО ПаТОЖ.СНИИ, МЫНОС|1ММС_ПаЗа[1[Шу

Экспериментальные результаты по наблюдению эффекта неупругого гражения атомов натрия от поверхностной световой волны, сследованне различных механизмов, влияющих па процесс армирования отраженного атомного пучка. ...............

Теорсшческое рассмофснне нронесса охлаждена!! агомин при ююкранюч отражении от поверхностной световой полны, Предложение иенольдоилп. полый сужающийся волнопоч к качсси'с г.ого источника ульграхолодных атомов.

Лщюоацнн район.1 ииуГиикацпи Материалы диссертации докладывались на конференциях:

.'V Мслл'.-ьлро.нмя м.иф.-реииия но коирсишой и илник'нпой Iикс (Д\тм- 1 !сгероуш, . • • •• • •

1еждународнын симпозиум но современным проблемам лазерной лики (Новосибирск, 1995);

Международпал конференция ■■Коллективные >ффскги в др^.\олодни\ аюмных. газах" ШеУш, Франция, 1996);

Ill Международная конференция но оптике и интерферомегрш агомоп (Эльба, Италия, 1996);

Международный семинар по лазерной физике (Москва, 1996).

Основные результаты диссертационной работы изложены в : научных публикациях, . список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертапин '

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 97 страниц, включая 26 рисунков. Список литературы содержит 146 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы н дан краткий исторический обзор развития методов лазерного охлаждения атомов. Дано краткое описание работы по главам И сформулированы основные задачи диссертации. .

В первой главе описана экспериментальная установка для наблюдения различных режимов отражения теплового пучка атомов натрия от . поверхностной световой волны. В данной экспериментальной установке можно выделить три основных части: вакуумную систему для манипуляций с атомным пучком, систему регистрации пространственного профиля атомного лучка и оптическую систему, формирующую необходимое для проведения эксперимента лазерное излучение.

В разделе 1.1 описана вакуумная камера, которая была'расчнтана -на давление остаточного'газа 10ö Topp, длина камеры составляла 80 см,, а сё полезный объем - порядка 10 дм3. Внутреннее пространство -камеры конструктивно разделено на три части: в части (а) располагается источник: ятомон натрия, который представляет собой-полбсть нз нержавеющей стали; в части (Ь) происходило взаимодействие атомного пуша с поверхностной световой волной; в части (с) осуществлялась регистрация пространственных'профилей атомного пучка.

Пучок атомов натрия формировался круговой дйафрагмой. S, диаметром 0.14 ' мм, - расположенной. на источнике атомов, и кооптирующей дпафршмой S, с вертикальным размером /г-0;5-мм и шириной 0.24 мм с расстоянием /,=250 мм между ними. На расстоянии I, -- 33 мм от коллнмирующей диафрагмы в пучок была вертикально наедена'кварцевая пластинка длиной L=25 мм. Толщина пластинки составляла 0.5 мм, а ее входная и выходная грани имели скос под yi:ioM 45°, позволявший заводить в нее иод этим углом лазерный луч, который посредством многократного отражения внутри пластншш создавал поверхностную волну.

В разделе 1.2 описана система регистрации пространственных профилей атомного пучка. Зондирование атомного "Пучка осуществлялась флуоресцентным методом, позволявшим селективно регистрировать атомы, находящиеся на заданном подуровне сверхтонкой структуры основного состояния .Д^д, и в узком скоростном интервале. '

В разделе 1.3 дано описание оптической системы, формирующей излучение, удовлетворяющее необходимым - требованиям эксперимента. В эксперименте использовались два лазера на красителе, которые накачивались излучением аргоновых - лазеров. Излучение обоих лазеров было стабилизировано но стандартной схеме стабилизации частоты, так что временной дрейф частоты лазерного излучения был меньше' 20 Мгц/час.

Во второй главе изложены результаты экспериментального исследования неупругого отражения теплового пучка атомов натрия от поверхностной световой волны. В разделе 2.1 рассмотрена теория атомного зеркала, которое основано на действии градиентной силы, выталкивающей атомы из области наибольшей световой интенсивности. Показано, что при положительной отстройке частоты поверхностной световой волны относительно частоты перехода двухуровнего атома, отражение атомов носит упрупш, зеркальный характер.

В разделе 2.2 рассмотрен механизм отражения от поверхностной волны щелочного атома натрия. Атом, влетающий в поверхностную волну на нижнем подуровне сверхтонкой структуры основного состояния 32Й1/2(Р=1), может испытать спонтанный распад на подуровень Р=2, оптический сдвиг которого существенно меньше чем у подуровня Р=1. В результате такого процесса атом при отражении от поверхностной световой волны теряет часть своей кинетической энергии. В среднем по ансамблю потеря кинетической энергии пропорциональна начальному значению перпендикулярной к плоскости зеркала компоненты кинетической энергии ат ома ЛЬ\ Е1.

Экспериментальные результаты при,пелены в разделе 2.3. Ддя наблюдения неунру'го'го'' отражения атомов," частота: "излучения, поверхностной полны отсранпалась в голубую сторону от частоты атомного перехода Зг81/2(Г=])-ЗгР}/г на ноГтпшу 5. Все атомы- " . ■начального пучка..прэдвдрительно оптически накачивались на нижний цйдуррвсггг, ргтпнога-лостемййш. Решстрировались только ге атомы, которые- при отражении ' "от гговгртуостнои ■ ншшы '

спонтанный расиад на верхний подуровень основного состояния Р=2. Показана эволюция пространственных профилей отраженною атомного пучка в зависимости от отстройки и- интенсивности излучения поверхностной волны. Угол падения атомного пучка был выбран 1,5 мрад, скорость регистрируемых атомов составляла 650 м/с.

Наиболее эффективное охлаждение " агомнУго "пучгд -было'- .. получено при значении отсройки б/2гс=350МГц и максимально доступной интенсивности поверхностной световой волны, которой соответствовало значение частош Раби на поверхности дишектрнка Йк(0)/2я=460МГи. При этих параметрах поверхностной волны наблюдалось уменьшение поперечной температуры неупруго отразившегося'атомного пучка в 2,25 рада,.причем доля таких атомов

составила более половины от пссх отряженных атомов. ,'.....

...... В .. разделе 2.4 рассмотрены результаты компьютерного

моделирования методом Монте-Карло отражения атомов от поверхностной волны. Данный метод позволил учесть импульсную диффузию, обусловленную спонтанными распадами атомов при • движении в световом поле. Компьютерное моделирование позволило

И

также более четко сформулировать условие наиболее эффективного охлаждения атомов в поверхностной световой волне.

В третей главе проведен анализ возможностей использования эффекта неунругого отражения атомов от поверхностной световой • волны для охлаждения и одновременного увеличения фазовой плотности атомного ансамбля. В параграфе ЭЛЛ рассмотрен вопрос замедленна атомного пучка в сужающемся канале. В параграфе 3.1.2 дано краткое описание гравито-оптической ловушки для щелочных атомов, в которой Может эффективно применяться Сизифово охлаждение аЬмов в поверхностной световой волне.

■ Раздел 3,2 посвящен рассмотрению охлаждения атомов » полом сужающемся волноводе, на внутренних стенках которого создана поверхностная . световая волна. Результаты компьютерного моделирования показали, что в таком волноводе фазовая плотность атомного ансамбля может быть увеличена более чем на пять порядков. Конечная температура атомов на выходе из волновода определяется примерно тремя импульсами отдачи резонансного фотона, что составляет для атомов натрия величину 10~5К.

Предложено использовать полый сужающийся волновод как чрезвычайно яркий источник ультрахолодных атомов. Поскольку площадь выходного отверстия волновода может быть сделана менее 10'7см2, то при потоке атомов 109 сек"1 яркость такого источника составит величину 1016 срад"'сек"'см"2.

В заключении излагаются основные результаты и выводы диссертационной работы.

' ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ,. ,

1) Экспериментально исследовано неупругое отражение атомов теплового пучка от поверхпостной световой, волны. Из результатов эксперимента и его численного моделирования следует, что наибольшая потеря кинетической энергии атомов нрн неупругом отражении, пррнсХЬзЛ й 01у^,-''юШ-отсгро!1ка;ча<гЛ>тН' излучения поверхностной волны от резонанса с атомным переходом

^иг (Р = 1) -* З2 Рт составляет величину приблизительно равную значению частоты Раби в точке' поворота атомной, траектория. Экспериментально установлено, что при однократном отражении от поверхностной световой волны поперечная температура атомного анс'амбда может быть понижена более чем в два раза. •

2) Благодаря своей цикличности эффект неупругого отражения атомов может быть использован для глубокого охлаждения атомов. Наиболее эффективно такое охлаждение работает в случае, котла поперечная кинетическая энергия атома составляет значительную часть его полной кинетической энергии. Поэтому было- предложено использовать атомы, предварительно плененные в магаито-оптнческой

ловушке для последующего охлаждения в полом оптическом

"' ■ "....... <-.-.-. - *

волноводе. .......... .....; "

3) Результаты компьютерного моделирования, охлаждения атомов при

каналировании в полом сходящемся волноводе показали, что на

«

" выходе волновода может быть достигнута- плотность атоЧшого ансамбля порядка 1014см'3 при температуре 10'5 К. Эти данные позволяют рассматривать указанный прибор • как перспективный

источник ультрахолодпых атомов, обладающий чрезвычайно высокой яркостью.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМП ДИССЕРТАЦИИ Основные результаты работы изложены в следующих публикациях: '

1. Овчинников Ю.Б., Ларюшин Д.В., Балыкип В.И., Летохои B.C. Охлаждение атомов при отражении от поверхностной световой волны,' Письма в ЖЭТФ, т.62, стр. 102-107, 1995.

2. Laruyshin D.V., Ovchinnikov Yu.B., Balykin V.I., Lctokhov V.S. "Cooling of atoms reflected from an evanescent light wave", in 1CONO '95: Atomic and Quantum Optics: High - Precision Measurements, S.N.Bagaev, A.S.Chirkin, Editors, Proc. SPIE v.2799, p.30-34, 1996.

3. Ovchinnikov Yu.B., Laiyashin D.V., Balykin V.I., Lctokhov V.S. Inelastic reflection of atoms from an evanescent light wave, Las.Phys., v.6, n.2, p.264-267, 1996

4. Laryushin D.V., Ovchinnikov Yu.B., Balykin V.I., Letokhov V.S. Reflection cooling of sodium atoms in an evanescent light wave, Opt.Comm., v.135, p.138-148, 1996..

5. Балыгаш B.IL, Ларкшпш Д.В., Субботин M.B., Летохов B.C. Увеличение атомной фазовой плотности в полом лазерном волноводе, Письма в ЖЭТФ, т.63, стр.763-767, 1996.

Синеок

1. Миноиш В.Г., Летохов B.C. Давление лазерного излучения нз атомы. Москва, Наука, 1986.

*

2. Казанцев Д.11., Сурдутоиич Г.Н., Яковлев В.II. Механическое действие света на атомы, Москва, Наука, 5 991. .3. С.S.Adams, M.Sigel, i.Mlynek. Atom optics, Physics Reports v.240. p.143-210, 1992.

M. Ibiisch T.W., Schawlow A.L. (Pooling of gases by laser hidlaUoa. Opt.Coram , v.13, p.68-69, 1975.

5. Летохов B.C., Mmionm В.Г., Павлик Б.Д. Охлаждение н пленение атомов и молекул резонансным световым полем. ЖЭТФ, т.72,

стр. 1328-1341, 1977.

6. Dalibard J., Сohen-Tannoudji С. Dressed-atom approach to atomic motion in laser light: the dipole force 'reVisileil." J.Opt.Sor.Am. H, v.2, p. 1707-1720, 19S5.

7. Dalibard J., Oohen-Tannoudji C. Laser cooling below the Doppler limit by polarization giadients: simple theoretical models, J.Opt.Soc.Am. B, v.6, n.ll, p.2023-2045, 1989.

8. Soding J., Grimm R., Ovchinnikov Yu.B. Gravitational laser trap foi atoms, with evanescent - vvave cooling, Opt.Comm., v. 119, p.652-662, 1995. - .

Подписано в печать 1997, Л- Формат 60x90/16

Бумага писчая N1. Печать офсетная. Усл.печл. 1,0. Уч.-нздл. 1,0. Тираж 100 экз., Заказ N Бесплатно

............, Ротапринт МФТИ.

141700, г.Долгопрудный, Московской обл., Институтский пер.9.