线型离子阱中铍离子的囚禁与激光冷却

Trapped beryllium ions’ structure will be ordered after laser cooling, and this phase changed ion cloud is called Coulomb crystal. This one component plasma offers special study object for atomic physics and strong coupled plasma physics, which can be applied to cold antimatter、cold chemistry、frequency standard、quantum information processing and high precision atom and molecular spectroscopy. As the lightest alkaline earth ion, it has irreplaceable place in light mass system sympathetic cooling as coolant. But the reason for limitation of the beryllium ion system’s application is the wavelength of laser used to cool the ions is at ultraviolet region and this laser source is hard to get. In this project, a kind of diode laser with air tightness and two stage Peltier cooling will be developed to work at low temperature environment (about -31 degree) and radiate 626 nm laser then frequency doubled to radiate 313 nm laser stably. This 313 nm laser will be used to cool the ions in the linear trap to several to tens of millikelvin leading to structure ordered Coulomb crystal, which will be the .prerequisite for plasma study and high precision molecular spectrometry with sympathetic cooled light molecular ion.

被囚禁的铍离子经过激光冷却后进入有序排列的结构，发生相变的铍离子云被称为库仑晶体。这种单组分等离子体为原子物理以及强耦合等离子体物理提供了独特的研究载体，该研究可以被用于冷反物质、低温化学、频率标准、量子信息处理和高精度原子与分子谱等领域。尤其作为质量最小的碱土金属离子，在小质量体系的协同冷却中，铍离子作为冷却剂有着不可取代的地位。而目前限制铍离子体系的广泛应用的原因是：用于冷却与囚禁该离子的激光波长（313 nm）在紫外区，该光源较难获得。在本项目中，将研制出具有气密性的半导体固体激光器，利用两级冷却系统，实现在低温下（约-31摄氏度）获得626 nm激光,倍频后获得313 nm稳定输出的激光，对线型离子阱中的铍离子进行激光冷却，使其平动能降低至几~几十毫开尔文量级，形成具有有序结构的库仑晶体，为进一步等离子体研究或者协同冷却小质量分子离子以进行高精密分子谱提供先决条件。

铍离子作为质量最小的碱土金属离子，通过离子阱囚禁及激光冷却后，其可进入有序排列结构，可为原子物理及强耦合等离子体物理提供独特的研究载体，该研究可被用于冷反物质、低温化学、频率标准、量子信息处理和高精度原子与分子谱等领域。而目前限制铍离子体系的广泛应用的原因是：用于冷却与囚禁该离子的激光波长（313nm）在紫外区，该光源及相关光学器件都较难获得。本项目针对该困难研制出具有气密性的半导体激光装置，实现在低温下获得约60毫瓦626nm激光，倍频获得约250微瓦313nm稳定输出的激光。以精密波长计为参考频率标准，由计算机控制可实现连续激光无调制稳频，此方法能在激光器频率可调节范围内任意频率点进行锁定，并且实现了多个激光频率的同时稳定，并且每束激光的频率不确定度都在10^(-9)量级，非常适合多组分原子分子研究。同时搭建了一套线型真空离子阱系统，在该系统内部搭建了铍原子炉，加热产生喷射出的铍原子束，通过激光电离使铍原子电离产生离子，然后通过线型离子阱囚禁铍离子，利用激光冷却的钙离子协同冷却了铍离子。