采用2π位相板产生的聚焦中空光束及其原子透镜

【摘要】： 从90年代起，各种技术，如几何光学法、模式转换法、光学全息法、计算全息 法、横模选择法、中空光纤法、非线性方法等，被相继用来产生暗中空光束，并得到 一些很好的实验结果。同时，其他的一些研究小组开展了暗中空光束在光阱与微粒的 操纵、中性原子的激光导引、冷却与囚禁以及相干物质波(如玻色-爱因斯坦凝聚， BEC)的操纵与控制等领域的应用研究。 本文提出了采用2π位相板法产生聚焦中空光束的新方法。当一束准直的高斯光 束通过具有2π位相分布的位相片和一个薄透镜时，这将导致在入射高斯光束中心的 完全和部分相消干涉效应，于是在透镜后就会形成一束聚焦中空光束(FHB)。根据 菲涅耳衍射理论，我们数值计算了傍轴近似条件下聚焦中空光束的场分布。发现在焦 平面之前有一个非常有趣的传播性质，即随着传播距离z的增加，这一聚焦中空光 束的暗斑尺寸(DSS)先从另变大然后再变小，最大的暗斑尺寸的位置在z=f/2处。 当选择较大的入射准直高斯光束的束腰w_0和较短的薄透镜焦距f时，可以在焦平面 上产生一个很小的DSS(或束半径R_0)，甚至可以接近衍射极限。经过焦点后，这一 聚焦中空光束将以一定的角度发散，它的DSS会变得越来越大，光强度变得越来越 弱。同时我们还提出了两种聚焦中空光束的理论模型，一种是修改的TEM_(01)模式的 doughnut光束模型，另一种是宽、窄高斯光束模型。从这两种拟合的效果来看，在径 向位置-R_0到R_0的范围内，这两种光束模型与数值计算结果拟合的非常好。 本文还讨论了这一蓝失谐聚焦中空光束的可能应用。由于这一聚焦中空光束在它 的焦平面上具有很小的DSS，可以用来聚焦原子束以形成原子透镜。在焦平面上，聚 焦中空光束的DSS越小，光学势越大，相应的最佳失谐量δ越大，这对原子透镜的性 能越有利。因为这不仅容易得到高分辨率的原子透镜，而且还可以减少在聚焦中空光 束中原子的自发辐射和光子散射效应。同时还考虑了各项象差对聚焦~(85)Rb原子束分辨 率的影响。如果选取合适的参数，则可得到一焦距为f=3.88um和分辨率约为6A~o 的~(85)Rb原子透镜。此外，这一蓝失谐的聚焦中空光束还可以用于中性原子的激光冷却 与囚禁，甚至用于研究冷原子在聚焦中空光束中的绝热压缩(加热)和绝热膨胀(冷 却)过程。