基于皮秒脉冲序列和容错相干控制的冷原子技术

Laser cooling is one of enabling technologies in modern atomic physics and quantum optics. Pulsed laser cooling technique has the potential of breaking the limitations in CW laser cooling based on cycling transitions, and extending the atomic and molecular species to be laser cooled. This project intends to combine both traditional and recently developed error-resilient coherent control technology, using arbitrarily shapable picosecond pulse train generated from CW laser and high-speed fiber modulators (up to 20GHz rep rate and 20ps pulse duration), to control the D1 and D2 manifolds of alkaline atoms for rapid laser cooling and to develop new method for cooling based on "quasi-cycling" and "non-cycling" transitions. Possibility of implementing picosecond pulses for coherent matterwave manipulation and atom interferometry will also be investigated. Possible additional developments include atom optics based on high speed large mometum transfer for matterwave probing of short-distance forces.

激光冷却是现代原子物理和量子光学研究的关键技术之一。脉冲激光冷却技术有望突破连续激光和循环跃迁的限制，拓展可以被激光冷却的原子和分子的种类。本项目计划应用传统和新型的容错（error-resilient）相干控制技术，利用技术上完全成熟的可调谐连续激光和光纤高速电光调制技术产生高重复率（快至20GHz）, 皮秒级(短致20ps)的任意波形相干脉冲序列，通过对常规碱金属原子的D1(不存在循环跃迁)和D2精细能级调控实现高速激光冷却并拓展基于准循环和非循环跃迁的激光冷却方案。申请人计划同时考察皮秒脉冲在原子外态相干控制和原子干涉实验上运用的可行性，力争发展一套高速大动量转移原子干涉方案，为原子的物质波干涉仪在探测短距离物理上的应用提供新途径。

电偶极作用是光和中性原子最重要的相互作用形式。然而在绝大多数冷原子物理体系的研究中，原子电偶极跃迁的近共振激发仅是激光冷却或原子探测的手段，对激发的绝对效率，辐射/吸收循环的几何相位等相关量子调控性质没有精确要求。对电偶极跃迁自由度作为量子资源进行精密调控几乎是当前实验冷原子研究的“盲区”，而事实上，该”盲区“蕴含丰富的原子内外态操控技术潜力及多体物理的运用前景。仅从单原子内态考虑，对电偶极跃迁的容错调控已经包括发展高效容错的原子光谱技术，高效光泵浦技术等；在结合外态后更加包括高效激光加速及高速自旋相关动量传输技术，在分子冷却，原子干涉，离子量子信息技术等领域应用潜力巨大；而在多体物理方面包括集体辐射的相干操控及亚辐射态动力学等，是当前量子光学和冷原子结合的新进热点问题之一。在巨大科研潜力和实验”盲区“之间是一个简单的技术挑战：我们的激光调制技术不够快：电偶极跃迁的自然线宽在10兆赫左右，因此即使是超冷的单原子，其相干操控时间也需要纳秒以下GHz带宽以上的整形光脉冲，常规的电光，声光调制无法同时胜任带宽和效率要求。另一方面，虽然超快激光的发展已经原则上允许人们设计高带宽脉冲光对原子的电偶极跃迁进行精密调控，但超快激光领域多关注于物质（包括原子分子气体）的高阶超快非线性响应，在原子电偶极跃迁精密调控所需的兆赫-亚太赫兹调制带宽上尚没发展出精密和稳定的波形控制。..本项目从基本技术出发，先后运用通讯领域成熟发展的光纤电光调制技术及新型皮秒脉冲整形技术，发展了调制带宽高达数十GHz，峰值功率足以提供GHz电偶极跃迁拉比频率的近红外任意波形皮秒脉冲发生技术，并运用于对铷原子和钾原子的电偶极跃迁（D1,D2谱线）的精密量子调控。我们首次实现了电偶极跃迁的SU(2)调控，对原子实现了50倍于辐射力的精密加速，并实现了多体原子系统的超辐射/亚辐射切换及相关动力学研究。在本项目支持下的这些开创性工作允许我们下一步在基于高速激光的原子内外态干涉，基于多体辐射态操控的量子/非线性光学方面做出进一步工作，发现这一科研”盲区“中蕴含的潜力并发展新技术，推动(超）冷原子相关技术发展。