激光冷却和陷俘技术在非线性光学与光子学中的应用

早期激光冷却实验之一是由Wineland等人在1978年完成的，它是基于由调谐在多普勒中心红侧的激光束所提供的共振辐射压力的机理［91］。在他们的实验中，样品是浓度为2×107 cm-3的Mg+离子气体，它们被限制在一个铜制的潘宁陷阱（Penning trap）中，使用倍频染料激光进行辐照，其280 nm的波长调谐到与Mg+离子的2S1/2 ↔2P3/2跃迁（MJ=+1/2 ↔+3/2或MJ=-1/2 ↔-3/2）发生共振。当激光频率调谐到多普勒轮廓中心红色一侧时，Mg+离子沿着与入射激光相反方向上的运动速度可显著减小，而相应的离子动能温度可从700 K被冷却到低于40 K。

Prodan与Migdall等人于1985年分别报告了他们利用Na原子束通过一个由锥形螺线管组成的塞曼移频器与单束反向激光相互作用，原子束的平均速度可以从初始的1 000 m/s冷却到只有15 m/s，后者对应于一个动能温度为100mK［92］。在同一工作中还曾指出，已被深度冷却的Na原子，可以通过磁偶极矩作用而进一步被一个三维非均匀磁场所陷俘。

同年，Chu等人报告了他们大为改进的对Na原子蒸气的激光冷却结果［93］。在他们的工作中，首先使用一束可在多普勒轮廓低频一侧连续扫描调谐的反向染料激光束对Na原子束进行预冷，使后者速度从最初的200 m/s降低到20 m/s。这种经过预先冷却的原子群，再与三对互为反向传播而频率同样调谐到多普勒轮廓红侧的对撞激光束作用，从而可进一步把该群原子限制在体积只有0.2 cm3的空间中。这样形成的原子云的密度为106 cm-3，原子的速度低于60 cm/s，而对应的温度值为240 μK。

下一个进展是由Raab等人在1987年提出的，利用磁光陷阱（MOT）对已经激光预冷的中性原子群进行进一步陷俘［94］。使用这种方法，他们得以将107个经过预冷的Na原子陷俘在直径小于0.5 mm的体积内长达120 s以上，估计出被困原子的温度为600 μK。

如图9-25（a）所示，为了解MOT设计的概念，假设气态原子系统处于一种沿z轴方向有梯度分布的磁场中，并可在其S=0基态至S=1激发态之间发生吸收跃迁。当不加外部磁场时静止原子的共振吸收频率为ω0，而在梯度磁场的作用下，激发态由于塞曼效应而分裂成3个子能级，因此不同位置的原子的中心吸收频率将发生不同的移动变化，如图9-25（b）所示。此情况下，如果有一对频率为ω而行进方向和偏振方向互为相反的圆偏振激光束同时与原子群作用，则沿z轴方向具不同速度的原子可以更有效地被冷却，条件是入射光频率ω十分靠近但又略低于经过塞曼移动后ω0值。例如，考察沿+z方向运动的原子，它们更容易吸收来自右方入射的光子，并产生至ms=-1子能级的跃迁。考虑到运动原子的多普勒效应和式（9-79）的共振要求，所有沿+z方向运动的原子，即使具有不同的速度值，都可以在适当的z范围内，与从右边入射的激光束保持共振。出于同样的原因，沿-z方向运动的所有原子也可以通过与从左侧入射的激光束作用而被有效冷却。

图9-25　沿z方向上的磁场空间梯度分布（a）以及不同位置处原子受到由塞曼效应造成的吸收频率ω0的不同移动值（b）（这些原子均可吸收由前后方向对撞入射而频率ω＜ω0并且互为反向的圆偏振光）(www.xing528.com)

进一步设想，如果让一定向原子束首先通过一个由锥形螺线管组成的塞曼移频器（减慢器）被一反向单激光束进行预冷，然后再让速度已经非常慢的原子群进入一种特殊设计的三维（3D）梯度磁场中，并通过x，y和z方向的3对对撞激光束进行辐照，则这些原子最终会被陷俘在6束激光的交叉区域中。这就是MOT设计的物理基础。

如图9-26所示，典型的激光冷却和陷俘装置通常包括两个主要部分：第一个是对原子束的预冷却装置，第二个是磁光陷俘装置。这两个部分都被密封在一个超高真空环境中（≤10-9 Torr）。在第一个阶段，原子束通过一段一维梯度磁场，并由一束反向入射而频率可连续扫描调谐的激光束预冷。在过程的第二阶段，经预冷后的原子群迁移到MOT区域，并被6束激光所最终陷俘。实验中的三维梯度（球面四极）磁场，通常是由具反亥姆霍兹结构的两部反向电流线圈产生的。

图9-26　一种典型的用单个反向激光束对原子束进行预冷的装置（左），以及利用三维梯度磁场和3对对撞激光束对预冷后的原子进行最后陷俘的MOT装置（右）

Monroe等人于1990年报道了他们在一个密封玻璃盒系统中，利用一个紧凑的MOT设计而实现了对低压铯（Cs）蒸气的光学制冷结果［95］。在该实验中，使用了波长为852 nm的三对二极管激光束，它们被调谐到Cs原子之6S1/2（F=4）→6P3/2（F=5）吸收跃迁的红侧。有1.8×107个原子被陷俘后形成了一个密度为5×1010 cm-3的原子云，对应的动力学温度为30 μK。此外，同一实验还进一步表明，在上述磁光捕获过程完成后，这种已经极冷的原子云甚至可以在去掉所有激光束后，被加载到另一个纯粹的磁陷阱，这样被磁捕获的原子云的动力学温度可进一步低至1μk。