激光冷却（磁光阱）实验

一、实验目的

        1 、加深对原子能级结构和物质结构的认识。

        2 、学习原子与光子的动量交换原理， 从而了解光的本质。

        3 、熟悉光抽运的基本原理与技术。

        4 、熟悉中性原子的激光冷却与俘获技术， 将千万个原子冷却到微开量级温度。

        5 、研究各种物理参量与获得冷原子温度的关系。

        6 、直接观察光与物质相互作用的现象。

二、实验原理

        1975年，Hansch提出了激光冷却中性原子的思想，其本质就是把原子的动量转移给光子，从而降低原子的运动速度。在光与原子相互作用过程中，原子每吸收或发射—个光子 ， 都伴随有Δp＝hk的动量变化。如图1所示，若伴随吸收的是受激辐射，原子不会有净动量变化。若伴随吸收的是自发辐射，考虑到自发辐射是各向同性的，此辐射过程使得原子的动量变化平均结果为零，原子就会得到净动量变化。

图1 光与二能级原子作用示意图

        这时原子受到的辐射压力只与原子的自身运动速度有关，可以用来对原子进行减速和冷却。如果激光从空间的六个方向照射原子时，原子将在空间的任—方向上感受到与自己速度有关且阻碍原子运动的辐射压力。这—个力将对原子的运动起强烈的衰减从而使原子减速。尽管散射力能把原子的速度减下来形成光学粘团，但是并不能把原子囚禁在空间某—特定的区域。因为原子所受的力只与速度有关，它会从光学粘团中逃逸出去。要想把原子囚禁在空间—个特定的区域原子必须受到与位置有关的力。磁光阱中梯度磁场使原子的能级产生具有空间不均匀的Zeeman位移，原子处于不同的空间位置对应干不同的共振频率。这样，光与原子的相互作用不仅与光强有关，而且依赖原子所在的空间位置（如图2所示）。

图2 光与二能级原子作用示意图

三、实验内容简介

        1 、学习操作光棚反馈激光器，学习光棚反馈的调整方法，实现激光反馈的最佳耦合。（见光电子实验系列之实验十二）

        2 、学会搭建用于激光稳频的光学系统（即搭建用于观测饱和吸收光谱的光学系统和电学系统，并得到其光谱）和电学系统，并得到用千稳频的频率误差信号。（见高级光电子实验一）

        3 、学会用声光调制器的原理和控制光强与频率的方法。

        4 、学会光纤耦合的调节方法以及传输光强的原理。

        5、 学习激光冷却的基本原理与技术， 并且学会能激光冷却与俘获中性原子。

四、实验简介

         MOT801是利用中性原子的激光冷却与俘获技术，将中性原子冷却到微开量级的实验装置。在原子、分子和光物理领域，中性原子磁光阱已成为制备冷原子样品的标准方法。中性原子气室磁光阱的实现使得制备冷原子样品变得更加简单而有效。磁光阱目前已成为冷原子物理、玻色－爱因斯坦凝聚(BEC)、原子光学、腔量子电动力学、光学晶格等方面研究的实验基础。因此吸引了许多学者致力于其理论和实验的研究。MOT801是优立光太公司设计的—种简单直观的磁光阱，具有体积小、调节方便、便干集成等优点。通过对磁光阱中冷原子行为特性的研究，有助于学生理解光场对原子的控制，基本物理量的精确测量，物质波干涉和量子统计现象等，对于化学物理，原子分子物理光物理以及凝聚态物理的研究具有重要的意义。