基于运动光阱的光学斯塔克减速器
发布日期:2017-06-02   作者:李本泰   浏览次数:489

低温下高密度的分子可能呈现出新的、有趣的物理或化学现象及其在各种实验中的重要应用激发了人们研究冷分子的兴趣。利用外场(包括电场、磁场或光场)和分子的相互作用对分子进行减速,是获得低速中性冷分子的一条有效途径。目前,利用电偶极矩和电场间的斯塔克相互作用,可以对具有固有电偶极矩的极性分子进行非常有效的减速;利用磁偶极矩和磁场间的相互作用,可以对顺磁性分子进行很好地减速。上述思想均已实验上实现,并且能用于对被减速分子的速度进行精确地操控。对于既没有固有电偶极矩也没有磁偶极矩的非极性分子,可以利用光场和其感生电偶极矩的相互作用(即光学斯塔克效应)来进行减速。

同前述的静电减速或静磁减速实验相比,现有的光学斯塔克减速实验在对被减速分子速度的精确操控方面尚有很大的差距,其原因在于分子的光学斯塔克效应非常弱,为了对高速运动的分子进行有效的减速,实验通常采用持续时间在~ns量级的聚焦强脉冲激光场(激光强度约在1011~1012W/cm2)。被减速分子的速度变化率108~109m/s2,分子和光场的相互作用时间在~ns 量级。分子速度主要取决于其所经历的空间光场强度,精确控制难以实现。

  我们提出了另一种光学斯塔克减速的思路:利用运动的、长时间持续的较强激光场(激光强度约在108~109W/cm2)对分子进行减速(被减速分子的速度变化率在 105~106 m/s2 )。由于光场强度下降导致的减速效果的弱化通过延长分子和光场相互作用时间来得到弥补。利用一对同步转动的平面镜来引导聚焦的连续或准连续激光,从而在分子运动方向产生一个运动的光学势阱。分子首先被囚禁在运动光阱中,在平面镜的制动过程中运动光阱被减速,从而使得囚禁其中的分子随之减速。被减速分子的最后速度取决于平面镜的最后转动速度,从而能够得到很好的控制。我们分析了被减速分子在运动光学势阱中的动力学行为,并以 CH4 分子为例进行了 3D Monte-Carlo 模拟验证了该方案原理的可行性,同时探讨了相关的实验可行性。相应的研究结果发表在Phys. Rev. A 95, 033409(2017)

  

基于运动光阱的光学斯塔克减速器原理示意图

  

     (a)                                                                       (b)

a)囚禁和被囚禁分子的运动轨迹;(b)不同减速速率下的减速器相空间稳定区域