封面解析
封面展示了扁平形漫反射腔体结构，激光由四束光纤入射，通过漫反射在腔内形成各向同性光场，对原子进行冷却，从而实现通过单束或多束探测光束进行原子信号探测。各向同性激光冷却技术有望在未来应用于磁场、电场等量子精密测量领域，为实验提供一种更为简便和紧凑的解决方案。
原文链接：《光学学报》2024年第03期封面文章 | 张孝; 王鑫; 王文丽; 孙远; 刘亮. 准二维各向同性激光冷却的光场仿真[J]. 光学学报, 2024, 44(03): 0314001.
导读
基于各向同性激光冷却技术获取的冷原子可以实现原子钟频标、磁场或微波电场的测量。激光注入方式和腔体结构对腔内的光场分布及冷原子分布具有重要的影响。本文针对如何获得准二维分布的冷原子，提出了扁平形的漫反射腔体结构，并研究了自由空间入射和光纤入射两种不同注入方式对腔内光场分布的影响，通过光纤入射角度、光纤参数等参数的调节，实现了腔内光场分布的优化。
1.研究背景
冷原子，通常指温度小于mK量级的原子，其运动速度很慢，具有更稳定、更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱，因此相比热原子具有更为明确的量子态。各向同性激光冷却中，激光经过漫反射形成漫反射光场，即各向同性光场，这个光场可以将原子冷却到约百μK的温度。在各向同性激光冷却实验中，漫反射腔内的光场并非均匀分布，导致冷原子在腔内的密度分布不均匀，不利于其在某些精密测量中的应用。在各向同性激光冷却实验中，根据不同的实验目的，漫反射腔体也呈现多样化(包括球形腔、圆柱形腔、长条形腔等，积分球钟主要使用的就是圆柱形腔)，对冷原子密度分布的需求也有所不同。为了探索新型的冷原子形态分布，获得一种准二维分布的冷原子，本文提出了扁平形漫反射腔的腔体结构，如图1所示。
图1 扁平形漫反射腔体实物图
2.准二维各向同性激光冷却光场
为了获得准二维均匀分布的冷原子，本文采用了一个扁平的腔体结构。在各向同性激光冷却原子实验中，为了进行原子的冷却，使用冷却光和再泵浦光，这两种不同频率的光经过合束后进入扁平腔内。为探究不同光束入射方式对腔内光场分布的影响，对不同的入射方案(图2)进行了模拟。
图2 不同入射方式的方案。(a)方案A和方案B;(b)方案C和方案D;(c)方案E;(d)方案F和方案G;(e)方案H和方案I;(f)方案G与方案I的光束入射时以θ角向z轴方向偏转
其中，方案A、B、E为光纤入射，方案C、D、F、G、H、I为空间光入射。光场的光功率密度分布结果如图3所示，可以看出，与自由空间光入射相比，激光由光纤入射能够获得更均匀的准二维分布的光场。
图3 各方案的光场仿真结果
接着，研究人员研究了不同光纤的数值孔径及纤芯直径对光场分布的影响。研究发现，数值孔径的变化能够显著改变光场的均匀性，优化腔内光场分布，而纤芯直径的变化对光场分布影响较小。此外，通过对光纤的入射角度进行微小的偏转调整，可以实现对腔内光场的光功率密度均值和平整度的优化。
最后，对腔体的整体尺寸等比放大的情况进行研究后发现，随着腔体边长放大倍数的增加，腔内光功率密度呈幂指数衰减。在相同的光功率密度要求下，随着腔体体积的增大，对入射的冷却光的功率需求显著提高。另外，在设计腔体时，还需要考虑腔体体积的大小。
3.后续工作展望
在未来工作中，研究团队将继续针对准二维各向同性激光冷却实验中的光学参数进行优化，获得更加优化的准二维分布的冷原子;此外，将基于此系统实现其在量子传感等领域的实际应用。
该团队由中国科学院量子光学重点实验室刘亮研究员主持，主要致力于冷原子相关基础研究以及工程化等一系列工作，旨在为科学及工业研究提供高端、精密、精准的时频设备，并进行前沿的量子模拟相关研究工作。2016年，由课题组研制的空间冷原子钟搭载“天宫二号”，成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟;2022年，由课题组研制的超冷原子物理实验柜科学实验系统随空间站梦天实验舱成功发射，在我国空间站内首次建立超冷原子物理实验平台。现阶段课题组主要围绕空间站冷原子微波钟、超冷原子物理实验柜以及小型化积分球冷原子微波钟等进行项目研究，此外，团队发展了基于碱金属原子的新型激光冷却技术，实现了量子模拟与量子精密测量。近年来，课题组累计承担了科技部、基金委等多项国家重点项目，并在国内外学术期刊发表论文近百余篇，获授权专利数十项。
