Abstract
摘要 本論文報告以中空型光子晶體光纖（hollow-core photonic crystal fiber，簡稱HC-PCF）捕捉冷原子的系統架設，與發展HC-PCF內冷原子數的量測技術，並研究被捕捉原子數量的最佳化及原子的生命期（life time），探討影響生命期的因素。 我們利用光偶極位能阱（optical dipole trap，簡稱ODT）導引並捕捉約2,000到3,000顆冷原子進入HC-PCF 的中空核心，並且將這些冷原子束縛在在核心內，被捕捉冷原子在核心內擁有約20 ms的衰減生命期。爲了提供能讓ODT 捕捉的冷原子，首先以磁光陷阱（magneto-optical trap）聚集並維持一團冷原子雲在一條垂直置放的HC-PCF端口附近，此團冷原子的數量約為2×107 顆，溫度約110 μK。一道遠紅調變雷射光束自底端耦合進入HC-PCF，當它自頂端向外輸出時在HC-PCF 端口組成與磁光陷阱交會的光偶極位能阱；此位能阱自磁光陷阱製備的冷原子團中導引了一部分的冷原子進入HC-PCF，構成一個連續性的導引捕捉冷原子系統。在HC-CPF內部，此雷射光同時將冷原子束縛在核心軸線附近，避免冷原子撞上核心內壁而損失。 爲了瞭解被捕捉冷原子的行為，我們採用光抽運法和光吸收法兩種探測機制，來量測被捕捉原子數目，同時以馬克斯威爾－波茲曼分佈為基礎建立了冷原子在HC-PCF 內部的分佈模型，驗證量測結果。量測呈現的結果中，我們可以看到目前的捕捉能力對冷原子團位置，光偶極位能阱雷射光形狀與深度相當敏感；而被捕捉原子的損耗機制方面，則被冷原子溫度強烈影響。 目前這套系統能夠捕捉3,000 顆冷原子，在HC-PCH內部產生相當於3的光學密度（optical density）。爲了增加被捕捉原子的數量和對應的光學密度，進一步降低冷原子溫度來增加被捕捉原子在HC-PCF內的生命期，及架設2 維磁光陷阱取代現存的3 維磁光陷阱以獲得更好的捕捉能力，是可能的改進方向。我們希望未來這套系統能夠作為極少光子與原子交互作用的平台。