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BEC光子氣體的單次成像

 

玻色-愛因斯坦凝聚(Bose- Einstein Condensation, BEC),即整數(shù)自旋粒子(玻色子)系統(tǒng)在臨界溫度以下的的宏觀基態(tài),20年來一直在冷原子氣體,和固態(tài)極化激元準(zhǔn)粒子中被觀測(cè)和研究。然而,*廣為人知的光子(玻色子)氣體的例子—黑體輻射,卻沒有表現(xiàn)出玻色愛因斯坦凝聚。2010年,研究表明,在低截止頻率的小型光腔中,光子能譜被限制在熱能以上,在充滿染料的光學(xué)微腔中獲得了光子的玻色愛因斯坦凝聚[1]。實(shí)驗(yàn)包括光子氣體的加熱過程,即通過染料分子的吸收和再發(fā)射過程加熱到室溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了對(duì)光的新量子態(tài),例如周期勢(shì),新波段光源等的研究前景。
 

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圖1:充滿染料的微腔,包含兩個(gè)高反射率球面介質(zhì)膜反射鏡。
通常情況下,我們使用溶解在甲醇或者乙二醇(均可作為熱浴或者粒子庫(kù))中的羅丹明6G染料。微腔截止能量(反射鏡間距)由PZT主動(dòng)控制。


實(shí)驗(yàn) 
對(duì)黑體輻射而言,將光子盒冷卻到低溫下,并不會(huì)引起B(yǎng)EC。根據(jù)普朗克定律,當(dāng)降低光子的溫度時(shí),它會(huì)從系統(tǒng)中消失。為了克服這個(gè)物理上的瓶頸,我們?cè)诔錆M染料的、反射鏡間距在波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)微腔中捕獲光子氣體,可同時(shí)提供光子數(shù)保持的熱化過程及顯著的光子氣體基態(tài)。
 
我們的光學(xué)微腔包括2個(gè)球面介質(zhì)膜反射鏡,其反射率高于99.9975%,間隔1.5 μm(圖1)。自由譜范圍超出了腔內(nèi)所用染料溶劑的熒光的譜寬,有效地抑 制了縱向的自由度,使系統(tǒng)成為二維系統(tǒng)[2]。所用的溶解在甲醇中的若丹明6G染料,量子效率近100%,發(fā)射光譜范圍550nm-600nm。
 
當(dāng)腔體發(fā)射光基模沿著光軸傳輸時(shí),高階橫模發(fā)散角更大,將整個(gè)光子氣體正確的成像在探測(cè)器上是非常有挑戰(zhàn)的。
 
我們使用532nm附近波長(zhǎng)的泵浦激光器來激發(fā)染料分子。對(duì)有機(jī)染料的持續(xù)泵浦,引發(fā)了三重態(tài)的激發(fā),減弱了系統(tǒng)的發(fā)光。激光經(jīng)聲光斬波為500ns(典型)脈寬,100Hz以下的脈沖。一次激發(fā),離開腔體的光子數(shù)在1E7量級(jí)。
 
在實(shí)驗(yàn)中,我們應(yīng)用iXon Ultra 897 EMCCD(Andor的DU897U-CS0-BV)相機(jī),非常成功的拍攝了腔體發(fā)光的空間分布影像。圖2給出了高度布居的基態(tài)光子(N0/N>60%)的圖像,周圍被更高能量光子所形成的熱云包圍。借助于iXon相機(jī)的單光子靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍,我們通過單次實(shí)驗(yàn)獲得了雙模光子空間分布的全部信息。

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圖2: a) 微腔發(fā)光圖片?;#ò咨┋B加于熱光子云之上。所示圖片拍攝時(shí)EM增益設(shè)為250,以用足像素的滿阱容量。 b) 水平方向分布。數(shù)據(jù)具備足夠的信噪比和可忽略的噪聲本底,清晰展現(xiàn)了熱光子云和高度布居凝聚模式的雙模疊加分布。

 

參考文獻(xiàn):

J. Kl?rs, J. Schmitt, F. Vewinger & M. Weitz, Nature 468, 545 (2010)
J. Kl?rs, J. Schmitt, T. Damm, F. Vewinger & M. Weitz, Appl. Phys. B 105, 17 (2011)

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