磁光陷阱(magneto-optical trap, MOT)在實驗物理中是一個相當廣泛且實用的技術，在量子光學領域中，在MOT中以原子氣體非線性光學spontaneous four wave mixing (SFWM)方式來產生糾纏光子，或者做為光儲存，都是相當重要的應用。
傳統的3D MOT是使用一對anti-helmholtz線圈，在空間中的三個維度製造出磁場梯度，將原子團集中在線圈中心點附近，而成為球型原子團。我們使用兩對anti-helmholtz線圈，在空間中只有兩個維度有磁場梯度，使得原子團被集中在一個軸的附近，而成為雪茄型的原子團，由於原子團變長了，其optical density (OD)也隨著提升，另外一個好處是原子團軸上沒有磁場。
我們建立的Rb87 2D MOT計畫在未來有兩個應用，其一是藉由spontaneous four wave mixing (SFWM)方式來產生糾纏光子，計畫將單光子儲存在另一冷銣原子系統中，可以做光子儲存相關的實驗。其二是此系統也可以做為光儲存系統。此篇論文將會著重於如何架構出如此系統的細節。

Magneto-optical trap (MOT) is a practical technique widely used in experimental physics. In quantum optics, atomic gas in a MOT have important applications such as entangled-photon generation (by spontaneous four-wave mixing, SFWM) or photon storage.
Conventional 3D MOT uses one pair of anti-Helmholtz coils to create a gradient in three dimensions so as to confine the atoms around the center and form a spherical cloud. In contrast, we use two pairs of anti-Helmholtz coils to create gradient in two dimensions and realize a 2D MOT. The atoms are confined along one axis and form a cigar-shape cloud. Compared to a 3D MOT, the optical density (OD) increases due to longer cloud and the gradient is zero along the long axis.
Our 2D MOT for Rb-87 atoms has two potential applications: (1) entangled photon pair can be generated using SFWM and one photon in the pair will be stored in another MOT of Rb atoms for studying photon storage, and (2) the atoms in the MOT can be used to store incident photons. This thesis will focus on the details of the construction of the 2D MOT.

摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1磁光陷阱原理 1
1.1.1都普勒冷卻 1
1.1.2位能陷阱 2
1.1.3三維及二維磁光陷阱 3
第二章 實驗系統設計及架設 5
2.1實驗動機 5
2.2物理機制及實驗設計 11
2.2.1原子冷卻(MOT) 11
2.2.2頻率調製 13
2.3光學系統架設 16
2.3.1外腔雷射及飽和吸收微分光譜鎖頻 16
2.3.2雷射分光區 23
2.3.3桌板實驗區 27
2.4 以Toptica_TA SHG pro做為master laser(早期實驗設計) 36
2.5真空系統架設 38
2.6磁場系統架設 43
2.6.1梯度磁場主線圈 43
2.6.2水冷系統及供電系統架設 51
2.6.3過熱保護斷電裝置 52
2.6.4補償地磁線圈 53
2.6.5磁場梯度補償線圈 57
第三章 電路 59
3.1溫控器 59
3.1.1工作原理及電路設計 59
3.1.2 除錯 64
3.1.3 除錯經驗 65
3.1.4 PID調整方法 66
3.1.5 TEC的選用 67
3.2 laser diode電流源 68
3.2.1 工作原理及電路設計 68
3.2.2 除錯 70
3.2.3 除錯經驗 70
3.2.4 穩定度測試及修改方向 71
3.3 補償地磁線圈電流源 72
3.3.1 工作原理及電路設計 72
3.3.2 電流穩定度測試 73
3.4 AOM driver 74
3.4.1 工作原理及電路設計 74
第四章 實驗結果 77
4.1外腔雷射及鎖頻 77
4.2 trapping slave laser 81
4.3 EOM slave laser 84
4.4 2D-MOT 85
第五章 未來建議及結論 87
5.1電磁波誘發透明(EIT) 87
5.2四波混頻以及糾纏光子 91
5.3四波混頻(FWM)及糾纏光子物理機制設計及討論 93
5.4時序 96
5.5 結論 98
附錄一 基本元件優化 99
A1.1滑軌 99
A1.2透鏡組 100
A1.3 prism pair 104
A1.4 half-wave plate (HWP) & polarizing beamsplitter (PBS) 108
A1.5 Optical Isolator 108
A1.6 AOM & driver 110
A1.7 EOM 110
A1.8 PM fiber 111
附錄二 Matlab數值模擬 113
A2.1 主線圈 113
A2.2 補償地磁線圈 117
A2.3 磁場梯度補償線圈 119
附錄三 溫控器電路圖[15] 121
附錄四 diode laser電流源電路圖[15] 126
附錄五 補償地磁線圈電流源電路圖 128
附錄六 AOM driver電路圖 130
參考文獻 132

 
圖目錄
圖 1 磁光陷阱示意圖 3
圖 2(a)三維磁場 (b) 二維磁場 4
圖 3 Rectangular-shape correlation function[6] 7
圖 4 damped oscillation correlation function[6] 8
圖 5 (a)FWM 偏振糾纏能階圖 (b)FWM 垂直結構setup[1] 9
圖 6 coincidence counts[1] 10
圖 7 實驗能階圖 12
圖 8垂直結構的實驗setup 12
圖 9 能階圖(ECDL part) 14
圖 10能階圖(EOM slave laser part) 15
圖 11 頻率調製架構圖 16
圖 12 外腔雷射(ECDL)，Littrow configuration，各元件型號。 17
圖 13 grating mount垂直軸優化前的current threshold 18
圖 14 grating mount垂直軸優化後的current threshold 18
圖 15 飽和吸收的光路圖 20
圖 16 微分訊號原理示意圖 21
圖 17 微分光譜鎖頻電路架構圖 23
圖 18 光學桌光路圖 24
圖 19桌板光路簡圖 28
圖 20 trapping beam 光路圖一 29
圖 21 trapping beam 光路圖二 30
圖 22 光學桌座標、磁場方向以及trapping beam偏振示意圖 31
圖 23 QWP工作方式 32
圖 24 Dark line 成像測試set up 33
圖 25 Dark line 測試結果 (a)x=0cm (b)x=-1.25cm 33
圖 26 repump beam 光路圖 34
圖 27 pumping beam 光路圖 35
圖 28 coupling beam 光路圖 36
圖 29 Toptica 能階圖(舊設計) 37
圖 30 Toptica頻率調製架構圖(舊設計) 38
圖 31 真空系統設計圖 39
圖 32 ion pump電流-真空度對照表[14] 42
圖 33 2D MOT 線圈 43
圖 34 X軸B(x, 0, 0)磁場梯度為10.129 Gauss/cm for 70A 44
圖 35 Z軸B(0, 0, z)磁場梯度為10.612Gauss/cm for 70A 45
圖 36 Y軸B(0, y, 0)，原子團兩端磁場差為3.3mGauss @70A 46
圖 37 工具#1，兩個 47
圖 38 工具#2 47
圖 39 工具#3 48
圖 40 繞主線圈STEP 1，粉紅色20mm，藍色188mm，黃色70mm，綠色80mm。 48
圖 41 繞主線圈STEP 2 49
圖 42 繞主線圈STEP 3 49
圖 43 主線圈支架 50
圖 44 主線圈照片 51
圖 45 包紗管至方形銅管間的管件接法 *由於銅管是方型，故將銅管接頭加工成方型凹槽，並與方型銅管焊起來。 **插心部分需用防水膠布捆繞，包紗管插上後再安裝全不銹鋼管束。 52
圖 46過熱保護斷電裝置電路圖 53
圖 47 補償地磁線圈數值模擬參數定義 54
圖 48 X軸的補償地磁線圈數值模擬，一圈1安培的電流在原點可以得到0.21高斯的磁場 55
圖 49 Y軸的補償地磁線圈數值模擬，一圈1安培的電流在原點可以得到0.0064 Gauss的磁場 55
圖 50 鐵氟龍，纏繞補償地磁線圈的工具 56
圖 51 補償地磁線圈照片 57
圖 52 Y軸的磁場梯度補償線圈數值模擬，10圈1安培可以得到Y軸B(0, y, 0)磁場梯度為42.95 mGauss/cm。 58
圖 53 TEC IV curve 68
圖 54 AOM RF signal 波型 75
圖 55 ECDL current-power curve 77
圖 56 ECDL 在Fabry-Perot可觀察到為single mode 78
圖 57 不同mode電流對頻率圖 79
圖 58 飽和吸收光譜-probe beam 80
圖 59 微分光譜 80
圖 60 trapping slave laser current-power curve 82
圖 61 slave free running電流對頻率圖 82
圖 62 injection peak and free running peak 83
圖 63 EOM slave laser的current-power curve 84
圖 64 2D MOT 86
圖 65 三能階系統 88
圖 66 EIT效應，量子干涉後躍遷機率為零。 88
圖 67 EIT效應，強coupling beam下的bare states以及dressed states示意圖。 89
圖 68 probe beam 頻率對OD做圖，紅線為沒有耦合光作用，藍線則有，為EIT[19]。 90
圖 69 在EIT下probe beam k(波數)的實部與虛部對光頻率做圖，零點為共振頻率[20]。 91
圖 70 四能階系統的四波混頻 92
圖 71 EIT在Zeeman sub-states的能階圖 94
圖 72 偏振糾纏能階圖 95
圖 73 時間能量糾纏，dressed state能階圖 96
圖 74 測OD及EIT等前置測試的時序圖 97
圖 75 FWM實驗時序圖 97
圖 76 滑軌 100
圖 77 高斯光束 101
圖 78 透鏡組 102
圖 79 w=1mm，beam waist對z做圖 104
圖 80 prism pair data [21] 105
圖 81 prism pair mount 106
圖 82 prism pair 對發散光或收斂光影響測試結果 107

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