光晶格中超冷原子的光频移研究

外加光场引起原子能级的变化称为光频移，这个能级位移不仅与外加辐射场振幅的平方成正比，还与其频率的失谐有关。在我们原来的实验和理论基础上，本课题提出对光晶格中超冷原子的光频移的系统研究。它不仅有助于深入理解光和原子相互作用的基本概念，而且在原子钟等精密测量方面具有巨大的潜在用途，既是实际应用的真实需求，又是原子分子和光物理领域的一个国际研究热点。不同于传统的二阶微扰理论下对简化二能级原子单点计算光频移的方法，我们考虑原子所有上能级对基态的影响，测量和计算不同失谐的光晶格、原子的不同温度和分布、原子间的相互作用、光场的空间分布对原子光频移的影响以及光谱信号的改变。探索由于光晶格的周期性和原子的运动而产生的光频移对跃迁谱线的影响机制，对新型微波原子钟信号的光频移进行评估，从而利用光场对原子的量子态进行更精确和有效的操控。

光晶格中的超冷原子和玻色—爱因斯坦凝聚（BEC）的研究是当前原子分子和光物理的一个国际前沿课题，不仅具有科学上的重大意义而且具有技术上的潜在应用前景。本项目采用实验和理论相结合方法，在深入分析驻波光和原子作用的光频移研究基础上，对驻波脉冲形成的干涉仪、光晶格中原子的关联特性、光晶格不同能带的快速装载、物质波超辐射散射以及原子相关操控技术进行了研究。我们很好地完成了课题任务。课题期间，发表标注本项目资助的SCI论文19篇，其中11篇Phys. Rev. A, Laser Phys. Lett、New Journal of Physics、Optical Letters、Optical Express 各1篇, 其它SCI期刊5篇。同时，在《冷原子年刊》（Annual Review of Cold Atoms）中撰写了第六章以及 《Interferometry: Research and Application in Science and Technology》 撰写了第十七章。邀请报告和国际会议论文9次，和国际上同行进行了有效的交流和合作。毕业4名博士生和2名硕士生，在读博士生2名，硕士生2名。. 具体来讲，首先利用驻波脉冲形成的干涉仪对超冷原子的特性进行了深入研究，实现了可用于原子干涉仪的较高对比度的高阶动量态，通过对Talbot-Lau干涉仪进行动量滤波和散射相位的研究，提出并首次测量了冷原子气体临界区域的发散行为。其次，通过光晶格中BEC的超辐射散射，以及光晶格中物质波的超辐射散射模式竞争的研究，利用共振散射新方法测量了光晶格中不同格点的关联和光晶格的能带。其三，利用系列驻波脉冲，我们设计和实现了将磁阱中的BEC快速装载到光晶格基态以及激发态的方法，将装载时间由传统的绝热装载的几十毫秒缩短至几十个微秒。其四、利用行波脉冲光对玻色-爱因斯坦凝聚在不同角度的超辐射，发现了随角度变化的非对称的散射模式。发展了利用超辐射散射来测量原子密度分布微小变化的新方法，以及磁场加速原子进行布拉格散射进而进行大动量转移的新方式展示了一种新型磁光布拉格散射。最后，发展了激光稳频与光晶格控制的新方法与技术，研究了空间的不均匀性对一个非魔术波长的一维光晶格中的非相互作用原子的光频移差的影响。