基于調(diào)制光晶格的中性分子束光學(xué)Stark減速與囚禁的理論研究?

李曉云 孫博文 許正倩 陳靜 尹亞玲 印建平

(華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241)

本文基于分子束光學(xué)Stark減速理論,提出采用調(diào)制的紅失諧光晶格來(lái)減速和囚禁任意脈沖超聲分子束方案,并予以理論研究.以CH4超聲分子束為例,利用Monte-Carlo方法模擬了調(diào)制光晶格中的分子減速與囚禁的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,給出減速級(jí)數(shù)、同步分子初始位相角與減速效果的關(guān)系.研究結(jié)果表明:隨著減速級(jí)數(shù)的增加,被減速的分子波包逐漸從原來(lái)的分子速度分布的大波包中分離開(kāi)來(lái),且減速級(jí)數(shù)越高,減速后的分子速度越小.在其他條件相同時(shí)同步分子初始位相角越大,減速波包內(nèi)的分子數(shù)目越少,同時(shí)位相空間被壓縮.與未調(diào)制的光晶格減速方案相比,本方案中無(wú)分子自由飛行過(guò)程,在相同的光晶格長(zhǎng)度內(nèi)完成了雙倍的減速級(jí)數(shù).當(dāng)光晶格長(zhǎng)度取3.71 mm時(shí),模擬結(jié)果顯示CH4分子從280 m/s減速至172 m/s,而未調(diào)制光晶格只能將CH4分子從280 m/s減速至232 m/s,減速效果提高了26%.本方案可以集分子的減速、囚禁于一體,是一種新型的分子光學(xué)功能器件,在冷分子光學(xué)、量子信息、冷化學(xué)等前沿研究領(lǐng)域中有潛在的應(yīng)用.

1 引 言

分子冷卻對(duì)于分子光學(xué)、超冷分子物理以及分子玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的制備等相關(guān)研究至關(guān)重要,為凝聚態(tài)物質(zhì)以及量子信息物理的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).在該背景之下,氣相冷分子成為科學(xué)家們?cè)谡莆樟嘶静倏胤椒ê蟮囊粋€(gè)熱點(diǎn)研究對(duì)象.冷分子豐富的內(nèi)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)使得它在基本物理問(wèn)題和物理常數(shù)的精密測(cè)量、分子冷碰撞和冷化學(xué)、冷分子光譜學(xué)、量子信息和量子計(jì)算等領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用[1?3].

目前,科學(xué)家們采用非均勻靜電場(chǎng)[4?8]、非均勻靜磁場(chǎng)[9?11]以及非均勻微波場(chǎng)[12,13]已成功實(shí)現(xiàn)了脈沖超聲分子束的減速,并得到了溫度在mK量級(jí)的慢速分子.然而,靜電場(chǎng)只能操控極性分子,而靜磁場(chǎng)只能操控順磁性分子,也就是說(shuō)這些技術(shù)的應(yīng)用范圍是有限的.但是,不管是極性分子還是非極性分子,順磁性分子還是非順磁性分子,它們都能夠在強(qiáng)光場(chǎng)中感應(yīng)出電偶極矩,從而具有二階勢(shì)能.因此,當(dāng)分子在非共振的激光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),將受到光場(chǎng)的電偶極相互作用.即當(dāng)分子在光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),若光場(chǎng)偶極力的方向與分子運(yùn)動(dòng)方向相同,則分子被加速.若光場(chǎng)偶極力的方向與分子運(yùn)動(dòng)方向相反,則分子被減速.2004年,英國(guó)Barker小組在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了脈沖分子束的單級(jí)光學(xué)減速,在15 ns的時(shí)間內(nèi)用單個(gè)脈沖高斯光場(chǎng)將苯分子束的平動(dòng)動(dòng)能減小了15%[14],在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)時(shí)序控制系統(tǒng)控制脈沖閥的打開(kāi)時(shí)間與激光器的打開(kāi)時(shí)間間隔來(lái)控制光場(chǎng)打開(kāi)時(shí)分子在光場(chǎng)中的位置,從而實(shí)現(xiàn)分子的減速,并于2006年在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了基于激光光晶格的NO分子的單級(jí)加速或減速[15];同年,美國(guó)Chandler小組在實(shí)驗(yàn)上運(yùn)用相似的思想,在具體實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)光晶格的強(qiáng)度來(lái)控制光晶格減速與加速分子束的程度[16].2009年,華東師范大學(xué)印建平小組[17]提出了一種新穎的用于減速脈沖超聲分子束的多級(jí)光學(xué)Stark減速器,這是一種采用靜止的紅失諧準(zhǔn)連續(xù)光學(xué)晶格來(lái)減速與囚禁脈沖超聲分子束的方案,成功模擬了CH4分子在多級(jí)光晶格光場(chǎng)的作用下分子束中心速度的有效減速.2012年,該小組又提出了一種運(yùn)動(dòng)的光學(xué)晶格實(shí)現(xiàn)脈沖亞超聲分子束的多級(jí)光學(xué)Stark減速的方案[18].在本文中,我們針對(duì)利用靜止的紅失諧準(zhǔn)連續(xù)光晶格來(lái)減速與囚禁脈沖超聲分子束的方案提出了一種新的改進(jìn)方案,即利用調(diào)制的光晶格代替靜止的光晶格,在相同長(zhǎng)度的光晶格內(nèi),獲得雙倍的減速級(jí)數(shù),從而獲得更好的減速效果及更多數(shù)目的冷分子.

2 調(diào)制光晶格減速并囚禁超聲分子束的基本原理

我們采用調(diào)制的紅失諧光晶格減速并囚禁超聲分子束,具體原理如圖1所示,由兩束近似于反平行的高斯激光束構(gòu)成一維靜止的光學(xué)晶格,兩束激光之間的夾角為β.在兩束激光的重疊部分激光相干疊加,從而形成周期性光場(chǎng)分布,即駐波場(chǎng)光晶格.當(dāng)一束脈沖超聲分子束沿著z方向傳播并通過(guò)光晶格的中心部分時(shí),在光晶格周期性的勢(shì)場(chǎng)中該束分子將受到光學(xué)偶極力的作用,分子的速度及位置在光場(chǎng)的作用下發(fā)生改變.通過(guò)對(duì)光晶格勢(shì)場(chǎng)空間分布的時(shí)序調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分子在晶格中運(yùn)動(dòng)狀況的控制,進(jìn)而使超聲分子束中的部分分子在光學(xué)晶格中進(jìn)行持續(xù)減速運(yùn)動(dòng),最終沿z方向輸出.

圖1 準(zhǔn)連續(xù)光學(xué)晶格減速與囚禁脈沖超聲分子束原理圖,MB為入射分子束,LB1和LB2為激光束Fig.1.The schematic diagram of multistage optical deceleration and trap for a supersonic molecular beam using quasi continuous optical lattice,here MB is the incident molecular beam,LB1 and LB2 are laser beams.

構(gòu)成光學(xué)晶格的兩束激光LB1和LB2波長(zhǎng)均為λ,夾角β約為175?,由光晶格理論可以得知光晶格的空間周期Λ≈λ/2,且由于兩束激光的波長(zhǎng)相同,可以構(gòu)成穩(wěn)定的光晶格.一維駐波光晶格在z方向的光場(chǎng)強(qiáng)度可表示為()

其中I0表示光晶格光場(chǎng)強(qiáng)度的幅值,k =[4πsin(β/2)]/λ表示光晶格的波數(shù). 同時(shí),光晶格的頻率相比大多數(shù)分子的電子躍遷能級(jí)是超大紅失諧的.根據(jù)交流Stark效應(yīng),處于紅失諧的一維駐波光晶格中的分子具有的光(學(xué)偶)極勢(shì)為

其中α表示分子的平均極化率,ε0表示自由空間的極化率,c是真空中的光速.

根據(jù)(2)式,以及偶極力與光學(xué)偶極勢(shì)之間的關(guān)系,可以得到分子在z方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的光晶格的光場(chǎng)偶極力的表達(dá)式為

由(3)式可以看出該偶極力與晶格光場(chǎng)強(qiáng)度I的梯度成正比關(guān)系.所以,處于晶格中的分子的經(jīng)典牛頓運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)為

其中m表示分子的質(zhì)量.

根據(jù)(2)式,可以繪出處于光晶格中的分子所具有的周期性光學(xué)勢(shì)曲線圖,如圖2(a)所示.從圖中能夠明顯看出分子所受到的偶極光學(xué)勢(shì)的周期與光晶格的空間周期相同,且分子的光學(xué)勢(shì)大小與分子所處光晶格的具體位置有著密切關(guān)系.為了便于描述,引入位相角φ,定義φ=(z/Λ)×360?,周期為360?,從而將分子的空間位置轉(zhuǎn)換為角度.在圖2(a)中,當(dāng)位相角0?< φ<180?時(shí),隨著分子在光場(chǎng)中的位相角不斷增加,其光學(xué)勢(shì)能也在不斷增加.根據(jù)能量守恒定律可知,當(dāng)分子的勢(shì)能增加時(shí),動(dòng)能則在不斷減小,分子從而被減速.當(dāng)位相角180?<φ<360?時(shí),隨著在光場(chǎng)中的位相角的不斷增加,其光學(xué)勢(shì)能在不斷減少,由能量守恒定律可知其動(dòng)能在不斷增加,分子從而被加速.對(duì)此,我們也可以采用(3)式進(jìn)行解釋,當(dāng)位相角0?<φ<180?時(shí),分子所受到的光場(chǎng)偶極力方向?yàn)閦軸負(fù)方向,與分子的運(yùn)動(dòng)方向相反,所以分子進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng).而當(dāng)位相角180?<φ<360?時(shí),分子受到的偶極力方向與分子運(yùn)動(dòng)方向相同,所以分子進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng).在光晶格的一個(gè)周期范圍內(nèi),分子在一半的周期范圍內(nèi)被減速,在另一半的周期范圍內(nèi)被加速.

為了更有效地利用光晶格實(shí)現(xiàn)分子減速,可以借助于光學(xué)方法調(diào)制光晶格的空間分布.分子在調(diào)制后的光晶格中的光學(xué)勢(shì)如圖2(b)所示,分子在勢(shì)能曲線上不斷爬坡,此過(guò)程分子速度不斷減少.當(dāng)分子到達(dá)勢(shì)能頂點(diǎn)時(shí),調(diào)制光晶格,使分子獲得與前半個(gè)周期相同的勢(shì)能分布,分子繼續(xù)爬坡,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)的兩次減速.再重復(fù)上述過(guò)程,這樣通過(guò)分子與調(diào)制光學(xué)晶格的多次相互作用,就可實(shí)現(xiàn)脈沖分子束的不斷減速.該方案光晶格被充分利用,分子在光晶格中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中無(wú)自由飛行,從而降低分子束的橫向擴(kuò)散.關(guān)于光晶格的調(diào)制,在實(shí)驗(yàn)上并不難實(shí)現(xiàn),可以利用壓電陶瓷的靜態(tài)特性調(diào)制激光場(chǎng),配合分子束運(yùn)動(dòng)的時(shí)序,保證分子一直處于爬坡區(qū)間.壓電陶瓷具有一定的響應(yīng)時(shí)間,對(duì)光場(chǎng)調(diào)制有滯后,從而會(huì)影響減速效果.為此在設(shè)計(jì)光場(chǎng)調(diào)制時(shí)序時(shí)可將該壓電陶瓷的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去,從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)期,獲得較好的減速效果.

由于超聲分子束具有一定的速度分布以及空間位置分布,因此對(duì)于每一個(gè)分子來(lái)說(shuō),相應(yīng)的光場(chǎng)時(shí)序是完全不一樣的.但是減速方案是采用一套時(shí)序來(lái)控制某一速度群分子的運(yùn)動(dòng),也就是說(shuō)我們不能滿足分子束中所有分子的同步要求,或者說(shuō)只能使一部分分子的步調(diào)與光場(chǎng)的步調(diào)一致,從而實(shí)現(xiàn)減速,而其他的分子或被加速或保持不變.因此,選擇分子束中具有某一速度的分子作為同步分子來(lái)調(diào)制光晶格.同步分子從光晶格的波腹處開(kāi)始運(yùn)動(dòng),也就是分子的位相為φ=0?.分子在光場(chǎng)的作用下勢(shì)能不斷增加,一旦分子到達(dá)φ=φ0(該角度定義為同步分子位相角)的位置,調(diào)制光晶格,使分子在光晶格中的勢(shì)能曲線移動(dòng),與φ=0?時(shí)的勢(shì)能曲線相同.分子則繼續(xù)爬坡,使分子始終處于減速區(qū).之后不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程,同步分子在每一級(jí)的減速中損失相同的動(dòng)能.在光晶格被調(diào)制后,分子將失去一部分勢(shì)能,這部分勢(shì)能由調(diào)制的光場(chǎng)帶走,此原理與分子的靜電Stark減速類似[4?8].其他分子的動(dòng)能變化情況由光場(chǎng)調(diào)制前后它們本身的位置和速度決定.此外,紅失諧的光晶格也是周期性光學(xué)勢(shì)阱,分子可以被囚禁在光晶格的波腹處,則本方案可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)分子的減速與囚禁.

圖2 分子的周期性光學(xué)勢(shì)分布圖 (a)處于光晶格中;(b)處于調(diào)制光晶格中Fig.2. Periodic optical potential distribution of molecules:(a)In optical lattices;(b)in modulated optical lattices.

3 Monte-Carlo模擬結(jié)果分析與討論

為了驗(yàn)證該理論方案的有效性,我們利用Monte-Carlo方法模擬超聲分子束在光晶格中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.選擇束流中心速度u=280 m/s,縱向平動(dòng)溫度為1 K的甲烷(CH4)超聲分子束[4].超聲分子束縱向速度分布為

同時(shí),同步分子周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的分子將會(huì)與同步分子一起慢慢減速,這些分子的具體數(shù)目與光場(chǎng)的參數(shù)有關(guān).設(shè)置同步分子的初始速度為v0,同步分子位相為φ0,光場(chǎng)減速的級(jí)數(shù)為n,根據(jù)前面的分析以及(2)式,得到同步分子在n級(jí)減速之后的速度為

由(6)式可以看出,同步分子的最終速度與同步位相角φ0以及減速級(jí)數(shù)n都有關(guān)系.接下來(lái)分別研究在初速度v0相同的情況下,分子減速與減速級(jí)數(shù)n以及同步位相角φ0之間的關(guān)系.

3.1 減速效果與減速級(jí)數(shù)n的關(guān)系

在討論脈沖分子束的光晶格減速時(shí),光場(chǎng)調(diào)制時(shí)序設(shè)定為當(dāng)光晶格開(kāi)始調(diào)制時(shí),同步分子在每一級(jí)的減速中都處于相同的位置,那么分子在每一級(jí)的減速中損失的動(dòng)能相同.設(shè)置φ0=90?,ν0=280 m/s,模擬的減速分子的時(shí)間飛行(TOF)信號(hào)如圖3所示.圖中橫坐標(biāo)是分子從與光場(chǎng)相互作用的開(kāi)始位置運(yùn)動(dòng)到探測(cè)位置z=d=0.007 m=7 mm時(shí)所需要的時(shí)間,縱坐標(biāo)是分子數(shù)占整個(gè)分子束分子總數(shù)的比例,即相對(duì)分子數(shù).圖3中四條曲線分別是當(dāng)減速級(jí)數(shù)n=0,n=10000,n=14000,n=18000時(shí)分子束與光場(chǎng)相互作用后的TOF信號(hào),它是分子位置和速度共同作用的結(jié)果.很明顯,除了第一條曲線n=0,無(wú)減速波包外,其余三條曲線均出現(xiàn)了兩個(gè)波包,小的波包均在大的波包的右邊,它對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間長(zhǎng),表示該處是被光場(chǎng)減速的分子.這些分子已從原來(lái)的分子速度分布中分離出來(lái),而且隨著減速級(jí)數(shù)的增加,小的波包離大波包越來(lái)越遠(yuǎn),減速后的分子速度也就越來(lái)越低.當(dāng)n=10000時(shí),同步分子的速度從280 m/s降低到209 m/s;當(dāng)n=14000時(shí),同步分子的速度從280 m/s降低到173 m/s;當(dāng)n=18000時(shí),同步分子的速度從280 m/s降低到123 m/s,速度已經(jīng)小于初始速度的一半.如果我們繼續(xù)增加減速級(jí)數(shù),那么分子的速度還會(huì)繼續(xù)降低,甚至速度被降為零或反向.當(dāng)減速級(jí)數(shù)繼續(xù)增加時(shí),減速波包的峰值強(qiáng)度降低了,但是波包分布寬度變寬了,減速波包內(nèi)分子數(shù)目不變.經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),減速波包內(nèi)的分子數(shù)目約占入射分子束中分子總數(shù)的2.5%.

圖3 當(dāng)同步分子的位相φ0=90?時(shí),不同光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)n時(shí)分子束與光場(chǎng)作用后的TOF信號(hào)圖 (a)n=0;(b)n=10000;(c)n=14000;(d)n=18000Fig.3.Simulated time-of-f l ight signal of molecules after the action of the molecular beam and the light f i eld for the various deceleration stages with the same synchronous phase angle φ0=90?:(a)n=0;(b)n=10000;(c)n=14000;(d)n=18000.

3.2 減速效果與同步分子初始位相角φ0的關(guān)系

不同減速級(jí)數(shù)條件下,減速波包內(nèi)分子的位相空間演化,結(jié)果如圖4所示.同步分子的位相φ0=90?,光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)分別為n=10000,n=14000,n=18000.橫坐標(biāo)是分子的空間位置z,縱坐標(biāo)即分子在z方向上的速度.很明顯,減速分子的位相空間隨著減速級(jí)數(shù)的增加在不斷地扭曲,但是位相空間的面積幾乎不變,這是因?yàn)橥椒肿拥奈幌嗍冀K保持φ0=90?不變.這說(shuō)明減速分子波包內(nèi)的分子隨著同步分子一級(jí)級(jí)往下減速的同時(shí),它們就在同步分子周?chē)袷?

由之前的研究結(jié)果可知,通過(guò)改變同步分子的不同位相角,可改變分子在每一級(jí)減速過(guò)程中所損失的動(dòng)能,同時(shí)位相穩(wěn)定區(qū)域的面積也發(fā)生改變[4].設(shè)定分子的光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)n=14000保持不變,v0=280 m/s,分別模擬同步分子的位相角φ0=70?,φ0=90?,φ0=105?,φ0=120?時(shí)分子束與光場(chǎng)作用后的TOF信號(hào),相應(yīng)結(jié)果如圖5所示.在模擬過(guò)程中激光和分子束的其他參數(shù)均與圖3相同.很明顯,圖5中4條曲線均存在兩個(gè)波包.隨著位相角的增加,減速波包離大波包距離增加,說(shuō)明減速分子的速度越低.同時(shí)可以觀察到隨著位相角的增加,波包的分子數(shù)目降低了,這說(shuō)明位相穩(wěn)定區(qū)域的面積降低了.這是由于同步分子的位相角越大,分子在每一級(jí)損失的動(dòng)能也就越大,減速效果也就越好.但是減速波包里的分子數(shù)目降低,所以具體實(shí)驗(yàn)時(shí)要權(quán)衡選擇同步位相角.

圖4 當(dāng)同步分子的位相φ0=90?時(shí),不同光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)時(shí),與光場(chǎng)作用后減速分子波包的位相空間演化 (a)n=10000;(b)n=14000;(c)n=18000Fig.4.Simulated phase-space plot of the slowed molecular packet for the same synchronous phase angle φ0=90? and dif f erent deceleration stages:(a)n=10000;(b)n=14000;(c)n=18000.

圖5 當(dāng)光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)n=14000時(shí),不同相位時(shí)CH4分子與光場(chǎng)作用后的TOF信號(hào)圖 (a)φ0=70?;(b)φ0=90?;(c)φ0=105?;(d)φ0=120?Fig.5. Simulated TOF signal of CH4molecules at the outlet of the decelerator for the deceleration stages n=14000 and dif f erent synchronous phase angle:(a) φ0=70?;(b) φ0=90?;(c) φ0=105?;(d) φ0=120?.

為了更好地描述減速分子波包隨著同步位相角的變化,用位相圖將減速分子的坐標(biāo)以及速度展現(xiàn)出來(lái),如圖6所示.令光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)n=14000保持不變,位相角分別取φ0=70?,φ0=90?和φ0=105?.由圖中可以看出減速波包內(nèi)的分子隨著位相角φ0衍化,為了更好地比較,在繪圖時(shí)選取同一橫坐標(biāo),表示不同位相角分子在光晶格中被測(cè)量的空間位置相同;速度分布間隔相同的縱坐標(biāo),表示被減速后的同步分子的速度.很明顯,同步分子的位相角φ0越大,同步分子的速度越低,位相空間的面積越小,速度空間的分布寬度越窄,空間位置的分布寬度也越窄,處于減速波包內(nèi)的分子數(shù)目也越少.同樣減速波包內(nèi)分子的空間位置和速度均在同步分子周?chē)袷?

圖6 光場(chǎng)減速級(jí)數(shù)n=14000時(shí),不同相位與光場(chǎng)作用后分子減速波包的位相空間衍化圖 (a)φ0=70?;(b) φ0=90?;(c) φ0=105?Fig.6. Simulated phase-space plot of the slowed molecular packet for the deceleration stages n=14000 and dif f erent synchronous phase angle:(a) φ0=70?;(b) φ0=90?;(c) φ0=105?.

3.3 相同長(zhǎng)度的調(diào)制光晶格與靜止的準(zhǔn)連續(xù)光晶格減速效果的比較

本文提出的基于調(diào)制光晶格的方案與之前的準(zhǔn)連續(xù)光晶格減速脈沖分子束的方案相比,主要區(qū)別在于是否在減速過(guò)程中移動(dòng)光晶格.現(xiàn)將新的減速方案與之前的方案在減速超聲分子束方面做一個(gè)詳細(xì)的比較.選擇與原始方案完全相同的分子束參數(shù),晶格參數(shù)的選擇也與上述模擬時(shí)采用的參數(shù)完全相同,同步分子的位相角為φ0=90?,超聲分子束初始束流速度u=280 m/s,模擬5×105個(gè)分子的減速.當(dāng)取相同的光晶格長(zhǎng)度,即L=3.71 mm時(shí),利用Monte-Carlo法分別模擬了兩種情況下CH4分子束的減速,得到的減速后的TOF信號(hào)圖如圖7所示.

圖7 原方案與改進(jìn)方案減速效果圖 (a)原方案;(b)現(xiàn)方案Fig.7.The deceleration ef f ect diagram of the original scheme and the improvement plan:(a)The original scheme;(b)the present scheme.

從圖7中可以明顯地看出,當(dāng)光晶格長(zhǎng)度相同時(shí),改進(jìn)方案的減速波包比原方案的減速波包離大波包更遠(yuǎn),也就是說(shuō)現(xiàn)在的速度被減至更低,分子從280 m/s被減速至173 m/s,而原方案的分子被減速至232 m/s,通過(guò)比較可知本方案減速效果更好.同時(shí),分子波包內(nèi)的數(shù)目也相較而言有所提高.這是由于本方案在相同的光晶格長(zhǎng)度內(nèi),完成了雙倍的減速級(jí)數(shù),即在原方案完成7000級(jí)減速的同時(shí),本方案完成14000級(jí)減速,同時(shí)避免了分子的自由飛行,因此在減速效果提升的同時(shí)也減少了分子數(shù)的損失.

4 總 結(jié)

本文在準(zhǔn)連續(xù)光學(xué)晶格Stark減速分子方案的基礎(chǔ)上,提出了一種調(diào)制的光晶格減速超聲分子束的方案.它能夠在相同的光晶格長(zhǎng)度下,提高分子束的減速效果,同時(shí)被減速的分子數(shù)目也有所提高,新的減速方案實(shí)現(xiàn)了更高效的中性分子束光學(xué)Stark減速與囚禁.以CH4超聲分子束為例,本文利用Monte-Carlo方法模擬了調(diào)制光晶格中分子減速與囚禁的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,討論了減速效果與減速級(jí)數(shù)n以及相位角φ0的關(guān)系.由模擬結(jié)果可知,減速的級(jí)數(shù)n越多,位相角φ0越大,減速后的分子速度越小,但是減速波包內(nèi)的分子數(shù)目也越少.本方案可以作為冷分子的制備方法,為冷分子的應(yīng)用提供冷分子源[19?22].本方案可以集分子的減速制備、囚禁于一體,是新型的分子光學(xué)器件,在冷分子光學(xué)、量子信息、冷化學(xué)等前沿研究領(lǐng)域中有潛在的應(yīng)用.