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用于碱土金属窄线宽俘获的MOT磁场的

方案设计

专业：物理学班级：200701作者：刘洪礼指导老师：任铁未

摘要

本文首先简要介绍了磁光阱在冷原子研究领域的重要性及它其原理。其次讨

论了反亥姆留兹线圈设计的一些理论知识,以及怎么样得到磁光阱的实验方案。

磁光阱是一种囚禁中性原子的有效手段，高数率的原子磁光阱为进一步实现光学

粘团和原子打下了良好的基础，它也可以应用到非线性光学或原子光谱的研究

中。

关键词：磁光阱，亥姆榷兹线圈，反亥姆榷兹线圈

1.引言

利用激光束与一对反亥姆霍兹线圈(anti-Helmholtzcoils)所产生的不

均匀磁场,可将中性原子囚禁于某空间范围中,并同时将原子冷却至极低的温

度,就是所谓的磁光阱(magneticopticaltrap,简称MOT),由华裔著名科学家

朱棣文于1986年首先实现.磁光阱MOT的主要特点是，能同时起到冷却和囚禁原

子的作用，其势阱相对较深，能捕获速度相对较大的原子，对激光束方向扰动和

激光偏振度缺陷的敏感程度较光势阱低。低功率、低造价的半导体激光器就可以

完成实验（碱金属原子中除了Na）；获得的样品温度低于1mK。MOT捕获比纯磁

场捕获一个重要的优点在于MOT中所使用的磁场适中，比纯磁场捕获是使用的磁

场强度小100倍左右。在MOT中，磁场仅仅用来产生一个比较小的磁子能级的塞

曼分裂，而纯磁场捕获中磁场要足够强以产生一个足够大的磁偶极力。MOT还有

一个优点在于原子源可以通过原子束的方式注入MOT，也可以通过原子气体的方

式注入MOT。与单一光学阱,磁阱相比.,.磁光阱阱深较深,,冷却效果明显,可

以直接从气室的气体原子中制备冷原子,目前已经成为广泛使用的冷原子物理

研究工具。)直观上看磁光阱就是辐射压力平衡的三维冷却激光和磁阱在空间上

的叠加通常采用六束光沿三个相互垂直的方向两两对射,也可采用三束光在三个

垂直方向上各自反射并原路返回的方案。各束光的偏振必须遵守偶极跃迁选择定

则,同其所处方位因磁场而发生Zeeman,频移形成的不同子能级间能级分布相

匹配,如图1所示，本文将重点讨论俘获MOT磁场的方案。

【1】

磁光阱示意图

2.磁光阱的基本原理

2.1光作用力的基本原理

光束携带着动量，当它被物体散射时会产生力的作用，一种为偶极力，一

种为耗散力这里，我们将从理论上讨论用光作用力来冷却禁锢中性原子的机制我

们用CookE3]的方法分析．他的方法是半经典的。一方面认为原子是个二能级的

体系，另一方面把光当作经典的电磁场．令p为偶极矩。E为光电场场强，则光和

原子间的相互作用能u为

U=-p·E。(1)

那么作用力F为

(2)

FU(E)

我们令考虑到原子偶极矩在光波波长尺度内的空间变化基本可以忽

E(x,t)

略，有

(3)

F()(x,t)

经典平面波场强的形式为取复数有

Acos(wtkx),

1

(4)

(x,ti)E(x)expit

2

考虑二能级的原子E1，E2．原子的

为



HHE





令CI，c2为原子在El，E2能态时