原子光学 基本概念原理技术及其应用PDF电子书下载

第1章 原子光学概论 1

1.1 引言 1

1.2 原子光学的分类及其研究内容 2

1.3 原子光学与光子光学的比较 3

1.4 中性原子在外场中的三个效应 4

1.4.1 中性原子的偶极矩 4

1.4.2 塞曼（Zeeman）效应 6

1.4.3 直流斯塔克（Stark）效应 7

1.4.4 交流斯塔克效应 8

1.5 原子能级的超精细分裂及其塞曼效应 8

1.5.1 考虑核自旋时原子的总磁矩 8

1.5.2 超精细能级的塞曼效应 10

1.5.3 选择定则与跃迁谱线的偏振 10

1.6 冷原子操控的基本原理 12

1.6.1 中性原子的激光操控原理 12

1.6.2 中性原子的静磁操控原理 13

1.6.3 中性原子的静电操控原理 13

1.6.4 中性原子的电、磁、光偶极相互作用力 13

参考文献 14

第2章 基础原子光学 16

2.1 引言 16

2.2 中性原子的激光冷却机制与技术 17

2.2.1 中性原子的多普勒冷却 17

2.2.2 中性原子的亚多普勒冷却 19

2.2.3 中性原子的亚反冲冷却 23

2.3 冷原子的磁、光囚禁与磁光阱技术 24

2.3.1 冷原子的光学囚禁 25

2.3.2 冷原子的静磁囚禁 30

2.3.3 冷原子的磁光囚禁 33

2.4 冷原子束或超冷原子束的产生及其实验研究 34

2.4.1 采用激光扫频冷却技术的冷原子束产生方案 34

2.4.2 采用塞曼减速器的冷原子束产生方案 35

2.4.3 采用预冷原子束和磁光阱的冷原子束产生方案 37

2.4.4 采用蒸气池磁光阱的冷原子束产生方案 38

2.4.5 采用亚反冲冷却技术的超冷原子束产生方案 41

2.5 冷原子束或超冷原子束的应用 42

参考文献 45

第3章 冷原子的磁、光导引及其应用 49

3.1 引言 49

3.2 中性原子的激光导引方案与技术 49

3.2.1 空心光纤中红失谐高斯模式的冷原子激光导引 50

3.2.2 空心光纤中蓝失谐消逝波光场的冷原子激光导引 52

3.2.3 空心金属波导中蓝失谐TE01模式的冷原子激光导引 53

3.2.4 单模光纤束中蓝失谐消逝波光场的冷原子激光导引 56

3.2.5 采用红失谐高斯光束的冷原子激光导引 59

3.2.6 采用蓝失谐空心光束的冷原子激光导引 60

3.3 中性原子的静磁导引与技术 61

3.3.1 采用载流导线的磁导引 61

3.3.2 采用永久磁管的磁导引 66

3.3.3 采用载流螺线管的磁导引 67

3.3.4 采用载流导线的交流磁导引 68

3.3.5 采用载流导体的磁导引 70

3.4 冷原子导引技术的应用 70

参考文献 76

第4章 几何原子光学及其器件 80

4.1 引言 80

4.2 原子漏斗技术及其应用 80

4.2.1 原子漏斗的工作原理 81

4.2.2 原子漏斗方案与研究结果 81

4.2.3 原子漏斗的潜在应用 87

4.3 原子束的反射及原子反射镜 89

4.3.1 原子反射镜方案与研究结果 90

4.3.2 原子反射镜的应用 97

4.4 原子束的偏转（折射）、准直及其应用 98

4.5 原子束的聚焦成像及原子透镜 100

4.5.1 原子透镜方案与研究结果 100

4.5.2 原子透镜的应用 108

参考文献 109

第5章 波动原子光学及其器件 115

5.1 引言 115

5.2 原子束衍射与原子光栅 116

5.2.1 原子光栅 116

5.2.2 原子束的衍射原理 118

5.2.3 原子束的光栅衍射实验 119

5.2.4 最新研究进展 127

5.2.5 原子光栅的应用 128

5.3 原子波导及其原子分束器 129

5.3.1 原子物质波的波导 129

5.3.2 导引型原子分束器 130

5.4 原子束的分束与干涉实验 139

5.4.1 自由空间原子分束器 139

5.4.2 原子分束器的应用 142

5.4.3 原子束的干涉与杨氏干涉实验 143

5.5 原子全息学与技术 147

参考文献 149

第6章 原子干涉仪及其应用 154

6.1 引言 154

6.2 原子干涉仪的分类 155

6.3 原子质心运动（外态）干涉仪 156

6.3.1 机械分束原子干涉仪 156

6.3.2 驻波场原子干涉仪 161

6.3.3 静电场原子干涉仪 166

6.3.4 静磁场原子干涉仪 169

6.3.5 光偶极原子干涉仪 177

6.3.6 时域原子干涉仪 179

6.4 原子内态干涉仪 181

6.4.1 行波光场原子干涉仪的分束与合束原理 181

6.4.2 行波光场原子干涉仪的技术方案与结果 181

6.4.3 脉冲布拉格驻波衍射光栅干涉仪 187

6.4.4 微波-光脉冲Ramsey干涉仪 188

6.4.5 受激Raman跃迁型原子干涉仪 190

6.4.6 偏振光场原子干涉仪 192

6.5 原子干涉仪的应用 195

6.5.1 重力加速度的测量 195

6.5.2 微小转速的测量 195

6.5.3 气体介质折射率的测量 196

6.5.4 介质电极化率的测量 196

参考文献 198

第7章 玻色-爱因斯坦凝聚实验及其最新进展 203

7.1 引言 203

7.2 玻色-爱因斯坦凝聚及其形成条件与途径 204

7.2.1 几个基本概念 204

7.2.2 形成BEC的条件与途径 206

7.2.3 制备BEC的实验过程 207

7.3 原子玻色-爱因斯坦凝聚的实验概况及其最新进展 208

7.3.1 具有正散射长度的碱金属原子BEC 209

7.3.2 具有负散射长度的碱金属原子BEC 216

7.3.3 其他原子（1H,4He,174Yb,52Cr和84Sr）的BEC实验 220

7.3.4 全光型BEC实验 224

7.3.5 双阱和微阱BEC 226

7.3.6 低维BEC的实现 229

7.4 分子BEC及费米原子对凝聚的实验研究及其最新进展 232

7.4.1 全光型6Li2分子BEC的实现 232

7.4.2 全光型40K2分子BEC的实现 233

7.4.3 费米原子对凝聚的实现 234

7.5 超冷BEC凝聚体的应用 235

7.5.1 BEC凝聚体中超冷分子的产生 235

7.5.2 在量子信息科学中的应用 236

7.5.3 原子-分子系统相干性的实验研究 238

参考文献 240

第8章 量子原子光学 249

8.1 引言 249

8.2 原子量子态的理论研究与实验制备 250

8.2.1 原子EPR态的制备 250

8.2.2 原子自旋压缩态的制备 251

8.2.3 原子纠缠态的制备 252

8.2.4 BEC原子数压缩态的制备 253

8.2.5 原子量子态制备的最新进展 255

8.3 BEC原子的光散射及其量子光学效应 255

8.3.1 BEC原子的光散射及其应用 255

8.3.2 BEC原子散射光的量子相干性 256

8.3.3 BEC原子凝聚体的量子统计性质 258

8.3.4 BEC凝聚体中的其他量子光学效应 259

8.4 原子激光的产生及其实验研究 264

8.4.1 原子激光的定义、构造及特征参数 264

8.4.2 原子激光的产生及其实验结果 264

8.4.3 原子激光的经典起伏 268

8.4.4 最新研究进展 269

8.5 BEC凝聚体或原子激光的量子相干性及其实验测量 269

8.5.1 空间相干性的实验测量与研究 269

8.5.2 时间相干性的实验测量与研究 271

8.6 费米原子气体的量子简并 273

8.6.1 费米40K原子气体的量子简并 273

8.6.2 费米6Li原子气体的量子简并 274

8.6.3 最新研究进展 275

参考文献 276

第9章 非线性原子光学 280

9.1 引言 280

9.2 BEC凝聚体中的原子物质波孤子 281

9.2.1 原子孤子的产生机制及其分类 281

9.2.2 BEC凝聚体中的暗孤子 281

9.2.3 BEC凝聚体中的亮孤子 283

9.2.4 BEC凝聚体中的孤子串：孤子原子激光 284

9.2.5 BEC中的晶格孤子和双分量BEC中的暗孤子 285

9.2.6 BEC中原子物质波孤子研究的最新进展 286

9.3 原子物质波中的光速减慢及超光速现象 286

9.3.1 电磁感应透明及其光波群速度操控的基本原理 286

9.3.2 光波群速度的减慢实验与研究进展 288

9.3.3 超光速现象及其实验研究 292

9.3.4 最新研究进展 294

9.3.5 光波群速度减慢的潜在应用 294

9.4 原子物质波中的四波混频 296

9.4.1 物质波四波混频的基本原理 296

9.4.2 原子物质波中四波混频的实验观测 297

9.4.3 由物质波四波混频产生的孪生原子束 298

9.4.4 量子简并费米原子的四波混频 299

9.4.5 原子物质波中四波混频研究的最新进展 299

9.5 原子物质波中的超流及其涡流（Vortex） 300

9.5.1 超流与涡流的概念 300

9.5.2 BEC超流体中的涡流 301

9.5.3 BEC超流体中的涡流列阵或涡流晶格 303

9.5.4 BEC超流体中的三维陀螺效应 305

9.5.5 最新研究进展 306

9.6 原子物质波中的量子混沌效应 307

9.6.1 混沌及量子混沌的概念 307

9.6.2 超冷原子物质波中的量子混沌现象 307

9.7 BEC原子物质波中的Josephson效应 309

9.8 原子物质波中的其他非线性效应 311

9.8.1 BEC原子物质波的相位相干放大 311

9.8.2 BEC原子物质波中的量子冲击波效应 312

9.8.3 BEC原子物质波中的超辐射效应 313

参考文献 315

第10章 晶格原子光学及其应用 320

10.1 引言 320

10.2 光学晶格的基本概念 321

10.2.1 何谓光学晶格 321

10.2.2 光学晶格中的Sisyphus冷却 322

10.2.3 光学晶格的基本概念与空间周期性 322

10.3 光学晶格的形成与分类 323

10.3.1 采用2n束正交光束产生的n维光学晶格 324

10.3.2 采用n+1束非正交光束产生的n维光学晶格 325

10.3.3 大失谐CO2激光晶格 329

10.3.4 光学晶格的磁学性质 329

10.4 磁晶格的形成与分类 329

10.4.1 一维磁晶格 330

10.4.2 二维磁晶格 332

10.4.3 三维磁晶格 333

10.4.4 最新研究进展 334

10.5 磁光晶格的形成与分类 335

10.5.1 一维磁光晶格 336

10.5.2 二维磁光晶格 337

10.5.3 三维磁光晶格 338

10.6 可控制表面磁晶格、磁光晶格与新颖光学晶格 339

10.6.1 可控制的二维表面磁光晶格与磁晶格 339

10.6.2 新颖光学晶格的形成 347

10.7 光学晶格中的冷原子或BEC凝聚体 350

10.7.1 光晶格中的原子动力学 350

10.7.2 光晶格中的原子BEC 351

10.8 应用与展望 352

参考文献 353

第11章 集成原子光学及其原子芯片 359

11.1 引言 359

11.2 表面微结构的原子光学元器件及其制作 360

11.2.1 表面微结构原子囚禁方案 360

11.2.2 表面微结构原子波导方案 372

11.2.3 表面原子分束器及其原子干涉仪 376

11.3 微磁结构集成原子光学及其原子芯片 379

11.3.1 第一块集成原子芯片 379

11.3.2 实现物质波传送的原子芯片 380

11.3.3 实现微阱BEC的原子芯片 381

11.3.4 微磁阱列阵与冷原子磁晶格 382

11.4 微光结构集成原子光学及其原子芯片 382

11.5 微磁光结构集成原子光学及其原子芯片 384

11.6 磁、光混合型集成原子光学及其原子芯片 388

11.7 原子芯片的设计原则与尚待解决的问题 389

11.7.1 芯片设计原则 389

11.7.2 尚待解决问题 390

11.8 集成原子光学的发展方向与应用展望 391

11.8.1 发展方向 391

11.8.2 潜在应用 392

参考文献 393

第12章 空心光束与暗束原子光学 401

12.1 引言 401

12.2 空心光束的定义及其参数 401

12.3 空心激光束（HLB）的产生 403

12.3.1 横模选择法 403

12.3.2 几何光学法 405

12.3.3 模式变换法 409

12.3.4 光学全息法 412

12.3.5 计算全息法 414

12.3.6 空心光纤法 425

12.3.7 径向分布的π相位板法 427

12.3.8 弧向分布的π相位板法 430

12.4 空心光束的分类及其应用场合 432

12.4.1 空心高斯光束（HGB） 433

12.4.2 拉盖尔-高斯光束 433

12.4.3 高阶贝塞尔光束（或高阶贝塞尔-高斯光束） 434

12.4.4 TEM*0l面包圈空心光束 434

12.4.5 LP0l模输出空心光束 435

12.4.6 双高斯分布空心光束 436

12.4.7 聚焦空心光束 436

12.4.8 局域空心光束 436

12.4.9 高阶马提厄空心光束 437

12.4.10 双矩形分布空心光束 439

12.5 椭圆空心光束的产生与研究及其最新进展 439

12.5.1 标量椭圆空心光束 440

12.5.2 矢量空心光束 450

12.6 暗束原子光学 455

12.6.1 采用空心光束的原子激光冷却 456

12.6.2 采用空心光束的冷原子激光囚禁 466

12.6.3 采用空心光束的冷原子光学操控 468

12.6.4 采用空心光束实现的全光型原子BEC 478

12.6.5 采用空心光束的物质波光学 481

参考文献 485

第13章 基于腔内QED效应的单原子光学 499

13.1 引言 499

13.2 单原子激光囚禁的基本原理、实验方案与结果 500

13.2.1 腔内单原子激光囚禁的基本原理 500

13.2.2 单原子激光囚禁的实验方案与结果 502

13.2.3 单原子激光囚禁实验的研究进展 504

13.3 单原子激光冷却的机制、实验方案与结果 506

13.3.1 单原子的腔内激光冷却 506

13.3.2 局域空心光束中单原子的强度梯度冷却 510

13.3.3 腔内单原子激光冷却的最新进展 513

13.4 单原子激光操控的基本原理、实验方案与结果 514

13.4.1 冷原子的腔内装载及其实验结果 514

13.4.2 腔内囚禁原子数的实时测量与实验结果 515

13.4.3 腔内单原子运动的反馈控制 516

13.5 单原子激光操控的实验进展及其应用 521

13.5.1 腔内QED效应的研究 521

13.5.2 量子纠缠态的实验制备 522

13.5.3 真空拉比分裂及其光谱观测 523

13.5.4 光子统计性质的研究 525

13.5.5 单光子源的实验制备 527

13.5.6 单原子激光的实验产生 529

13.5.7 原子-腔显微镜技术 531

13.5.8 在量子计算与信息处理中的应用 534

13.6 总结与展望 536

参考文献 536

第14章 应用原子光学 543

14.1 引言 543

14.2 在表面科学研究中的应用 544

14.2.1 实验研究进展 544

14.2.2 范德瓦耳斯力的测量 544

14.2.3 探测范德瓦耳斯相互作用的原子干涉法 545

14.3 原子干涉与精密测量 546

14.3.1 基本物理常数的精密测量 546

14.3.2 原子干涉陀螺仪及其微小转动的测量 550

14.3.3 原子干涉仪精密测量的最新进展 553

14.4 原子喷泉钟与冷原子光钟 553

14.4.1 喷泉原子钟的研究进展 554

14.4.2 冷原子光钟的研究进展 556

14.5 原子光刻与纳米新材料的制备 558

14.5.1 采用金属原子的光刻实验 559

14.5.2 采用亚稳态惰性气体的原子光刻 561

14.5.3 采用全息光学掩膜的原子光刻 563

14.5.4 原子光刻实验的最新进展 563

14.6 原子计算全息术与原子光学全息术 564

14.6.1 原子计算全息术 565

14.6.2 原子光学全息术 573

14.6.3 时域原子光学全息术 575

14.7 在量子信息科学领域中的应用 577

参考文献 580

附录1 一些常用的基本物理常数 587

附录2 一些惰性气体原子亚稳态的基本参数 588

附录3 一些激光冷却原子光学跃迁的基本参数 589

附录4 一些激光冷却原子俘获、多普勒与光子反冲极限参数 591

附录5 碱金属原子的核自旋I参数 592

结束语 593

索引 595