發(fā)布時間：2021-07-21 21:38

　　光與原子相互作用是量子光學(xué)和原子物理學(xué)領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容。通過電磁場實現(xiàn)的原子間相互作用可被廣泛用于基礎(chǔ)科研和實際應(yīng)用等各個領(lǐng)域中。這些應(yīng)用的實現(xiàn)得益于實驗系統(tǒng)所具備的幾大特性,主要包括光與原子的大耦合效率、原子系綜的俘獲與操控和電磁場的本征化與操控三方面。光波導(dǎo)為實現(xiàn)這些系統(tǒng)特性提供了一個合適的平臺,而光學(xué)納米光纖則是光波導(dǎo)方案中一個極佳的選擇。納米光纖是指由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉錐到具有厘米級長度,亞微米級直徑的錐形光纖。通過納米光纖,電磁場被強束縛到光纖表面附近形成衰逝場,提高了光與原子耦合率,原子間的相互作用通過波導(dǎo)光得以實現(xiàn),同時原子也能通過衰逝場被俘獲到納米光纖表面附近。光與原子相互作用過程中,納米光纖波導(dǎo)光的相位和偏振穩(wěn)定性對最終測量具有重要影響,因此對納米光纖熱噪聲特性的研究尤為重要,光纖表面強束縛的衰逝場則為光機械耦合效應(yīng)的研究提供了一個理想平臺。我們知道線偏振光穿過雙折射物體時能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力,其原理蘊藏在麥克斯韋方程中,被Poynting揭示并隨后在實驗上被Beth和Holbourn證明,此效應(yīng)在當(dāng)代光機械耦合的應(yīng)用中處于核心地位。一個里程碑式的應(yīng)用實例是利用光與物體間... 

【文章來源】：山西大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：125 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

納米光纖結(jié)構(gòu)示意圖

?格中[4146]。由于勢阱深度和空間尺寸較小，每個光晶格最多只能裝載一個原子或沒有原子。晶格勢阱的俘獲壽命為百毫秒量級，基態(tài)原子的相干時間約600μs[47]。在這種方案中單個原子的光學(xué)厚度大約3%左右，數(shù)千個原子則能實現(xiàn)可觀的光學(xué)厚度，這些條件為研究光與物質(zhì)相互作用提供了一個良好的平臺。本小節(jié)將基于納米光纖實現(xiàn)的光與原子相互作用，針對衰逝場光的手征性、原子布拉格反射、光存儲、超輻射亞輻射，集體激發(fā)效應(yīng)和里德堡原子激發(fā)的最新研究進展和一些重要特性的應(yīng)用做詳細(xì)介紹。1.2.1衰逝場光子的手征性圖1.2[55](a)納米光纖附近衰逝場的偏振特性。(b)原子的能級結(jié)構(gòu)，基態(tài)|g與激發(fā)態(tài)|e-1，|e0和|e+1分別通過σ，π和σ+躍遷耦合到一起。當(dāng)光在橫向上被束縛到亞波長范圍時，會在傳播方向上存在著重要的偏振成分，也就意味著納米光纖中的準(zhǔn)線偏光會在垂直于傳播方向的橫向上存在自旋角動量，表現(xiàn)出手征性。目前，光子的手征性已經(jīng)在納米金顆粒[4849]，納米尖[50]，微盤腔[51]，量子點[5254]和原子[55]實驗中得到驗證。在圖1.2(a)中[55]，緊束縛在納米光纖周圍的衰逝場延光纖+z方向傳播時，將y軸作為量子化軸，則衰逝場的偏振為σ+。如果衰逝場延光纖-z方向傳播，則衰逝場的偏振為σ。這表現(xiàn)出了衰逝場中光子的手征性特點，衰逝場的本地偏振與傳播方向有著內(nèi)在聯(lián)系。在圖1.2(b)中，當(dāng)具有手征性的光子與自旋極化原子相互作用時，原子的極化導(dǎo)致該原子對光的散射具有偏振依賴性，因此自旋極化原子對σ+偏振和σ偏振光子則表現(xiàn)出不同的散射截面。Arno小組利用手征性光子與自旋極化原子的不同相互作用實現(xiàn)了納米光學(xué)意義上的光學(xué)隔離器的制備[55]。該小組采用了兩種實

Ч飧衾朐?硇緣鬧っ魑?亂淮?允終饜怨庥胛鎦氏嗷プ饔夢??〉哪擅墜?學(xué)器件的研發(fā)打下了基矗1.2.2原子鏡面Bragg反射在一個有序排列的晶格陣列里面，當(dāng)光波長與晶格間距接近共振時，向前傳播的光和向后反射的光則會產(chǎn)生相干效應(yīng)，晶格對入射光產(chǎn)生強反射，這就是著名的Bragg反射，這種現(xiàn)象已經(jīng)在多層電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶體中得到廣泛研究[56]。在自由空間，或者有序排列的三維[5758]或者一維[5960]光晶格中的冷原子氣體中，也觀測到了Bragg反射現(xiàn)象。這些觀測需要約107個原子與超過7700層的光晶格用于實現(xiàn)多層反射。圖1.3[61](a)N個原子被俘獲到納米光纖表面200nm距離的光晶格中，原子熒光以輻射衰減速率Γ1D耦合進右側(cè)與左側(cè)傳播的模場中，未耦合到納米光纖傳播模場中的以Γ0耦合到其他模場中。(b)納米光纖橫向平面內(nèi)準(zhǔn)線偏偏振波導(dǎo)模的電場分布。由于納米光纖波導(dǎo)與原子間存在較大的耦合作用，納米光纖附近的衰逝場構(gòu)建的具有共振波長周期的光晶格中，每個原子可視為一個原子鏡面。Julien小組利用2000個原子構(gòu)筑的一維原子鏈同樣實現(xiàn)大的Bragg反射[61]。實驗原理如圖1.3所示，晶格常數(shù)d接近原子躍遷波長的一半λ0/2，構(gòu)建光晶格的紅失諧光采用兩種失諧頻率，分別失諧于共振0.12nm(2×1.2μW)和0.2nm(2×1.9μW)，藍(lán)失諧光采用686.1nm和686.5nm(2×4mW)用于補償y軸方向的勢阱。紅失諧光的偏振與x軸方向平行，最終俘獲N個原子到光纖表面附近200nm的光晶格中。紅失諧λ=0.12nm(0.2nm)時仿真得到的勢阱深度為-0.15mK(-0.1mK)。在失諧λ=0.12nm情況下，測到相對自由空間原子共振躍遷的Stark頻移為3MHz，非均勻展寬約為0.6個自然躍遷線寬。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Fabrication of Submicron-Diameter and Taper Fibers Using Chemical Etching[J]. Hani J. Kbashi.  Journal of Materials Science & Technology. 2012(04)



本文編號：3295823