原子分子光学-南京大学介电体超晶格实验室(DSL).PDF

原子分子光学 —— 基本概念、原理及其必威体育精装版进展 1 内 容 一、引言 二、原子的激光冷却 三、原子囚禁 四、原子BEC 五、应用原子光学 六、分子光学的探索 2 一、引 言 学习过的光学课： 普通物理（光学部分）、非线性光学、量子光学、信息光学 …… 光具有波粒二相性：粒子性和波动性 光束传播的三大定律：直线传播定律、反射定律和折射定律 光的衍射和干涉现象 光在晶体中的传播，光与物质的相互作用 激光具有：单色性、方向性和相干性 光学相干性，相干态 …… 光子光学：一门研究光的物理本性、光的传播规律和光和物质相互 作用及其应用的传统学科。 3 4 所谓“原子光学”, 类似于光子光学，电子光学, 中子光 学和离子光学等的定义。 “原子光学”是研究中性原子与电场、磁场和光场等物 质相互作用及其冷却、囚禁、操控与应用的一门新兴 学科。 杨氏双缝干涉条纹 冷原子物质波干涉条纹 5 原子光学与光子光学的比较 （1）光子的几何尺寸可以忽略, 且静质量为零, 因而它的穿 透能力很强, 可以透过所有的透明介质。实物光学器件(如光 学棱镜、反射镜、透镜和光栅等)来实现光的偏转(折射)、 准直、反射、聚焦成像和衍射等。 由于原子具有一定的大小与质量, 其穿透能力非常弱, 无法穿 过任一实物介质, 故中性原子的操纵与控制必须利用原子与 电场、磁场和激光场等物质间的偶极相互作用力来实现,相 应的原子束偏转（折射）、准直、反射、聚焦成象和原子物 质波的衍射、分束、干涉、波导和原子全息术等只能采用由 电场、磁场和激光场等构成的各种原子光学器件来完成。 6 （2 ）在光子光学中, 采用光学反射镜即可实现光的反射, 采用光纤或中空 光纤即可实现光的波导。 由于原子与介质表面相互作用时存在着范德瓦尔斯吸引势, 无法直接采用 光学反射镜来有效反射原子束, 也无法直接利用中空光纤来有效导引原子,而 必须采用具有蓝失谐消逝波光场的光学棱镜或平面镜来有效反射原子束, 或 采用具有蓝失谐消逝波光场的中空光纤来有效导引原子。 为了有效地操纵与控制中性原子的运动,必须首先对热原子 进行激光冷却,大大降低原子运动的平动动能(即原子温度),使 原子运动的动能远低于偶极相互作用势能,并有效增加原子运 动的波动性以便研究冷原子的反射、衍射和干涉等波粒二象性 。显然,在光子运动的操纵与控制中,直接采用相应的光学器件 即可实现,而无需对光子进行冷却。这是原子光学与光子光学 最显著的不同之处。 7 （3 ）光束在真空中传播时所有光子的运动速度均为3 ×108 m/s，因而不存在光子运动速度的分布。 原子束中原子通常其纵向平均速度约为5 m/s ~ 500 m/s， 甚至更低（如原子激光束）；而且原子束中每一个原子的运 动速度是不相同的，存在着一个纵向速度分布（即纵向温度 ）；除了上述纵向平均速度及其分布外，原子束还具有横向