结构可控的冷原子全息光波导的设计和应用研究

The cold atom interferometer is of great significance in the application of precision measurement. The waveguide is one of the key techniques for realization of the atomic interferometer. The research of the optical waveguides with controllable structures and holographic imaging function can effectively improve the precision of the interferometer. In this project, our research includes the following three aspects: (1) Theoretically studying the atomic interference gyroscope and the quantum state manipulation with the application in the atomic coherent transport in the waveguides; (2) Theoretically analyzing and experimentally fabricating configurable holographic optical potentials, constructing an atomic optical waveguide with interference loops, and optimizing the potential field of the loop to realize the atomic coherent manipulation; (3) Based on the quantum gas microscopy, measuring the atomic cloud to obtain the physical parameters of the optical waveguide, and trying to carry out the interference experiments therein. We aim to explore holographic optical waveguides that can be used in atomic interferometer, and the research in this project will provides important technical support for realization of the guided atom gyroscope.

冷原子干涉仪在精密测量等方面有着重要的应用价值。波导是实现原子干涉仪的关键技术之一，而研究结构可控和全息成像的光波导能够有效提高干涉仪精度。本项目中，我们拟开展以下三方面的研究：（1）基于光波导的原子干涉陀螺仪和量子态操控及其在相干原子输运方面的理论研究；（2）理论设计和实验实现结构可控的全息光阱，在此基础上构造干涉环路的冷原子光波导，优化环路势场，实现原子的相干操控；（3）利用量子气体显微技术直接测量光波导里的原子团，获得相关物理参数，并尝试进行原子干涉实验。我们的目标是探索可用于原子干涉仪的全息光波导，该项目的研究将对实现波导型原子陀螺仪提供重要的技术支持。

冷原子干涉仪在精密测量等方面有着重要的应用价值。本项目围绕波导型原子干涉仪方案设计，冷原子和人工原子的量子态操控，以及超冷原子和全息光势阱的实验实现等三方面内容开展相关研究。项目取得的主要研究成果如下：首先，在原子干涉仪的技术方案方面，分别提出了基于倾斜环形光场和轨道角动量光驱动的Sagnac原子干涉仪及其测量方法，并以此申请了2项国家发明专利。其次，在冷原子量子态操控方面，提出了系列新奇拓扑态及其冷原子实现方案，理论提出并利用超导人工原子实验实现了参量空间量子态的几何与拓扑操控，在冷原子系统中实验实现了参量空间中自旋陈数的模拟和测量。最后，在超冷原子和光势阱的实验研究方面，先后实验实现了Rb87和Yb174原子的玻色-爱因斯坦凝聚体，采用参量热化的方法对光阱进行了诊断并精确测量光阱频率等关键参数，实现了微波和激光脉冲对超冷原子量子态的高精度相干操控，搭建了高分辨率成像系统并实现了对原子内态和物质波相干测量。此外，提出了利用机器学习方法计算和分类拓扑数的可行方案，并实验实现了拉盖尔-高斯光的轨道角动量拓扑数和干涉图样的高效率和高精度识别。这些研究成果发表在国内外物理学权威期刊论文23篇，包括Advances in Physics 1篇，Physical Review Letters 3篇，Sci. China-Phys. Mech. Astron.（中国科学） 1篇，Physical Review A/B/Research 12篇，Optics Express 1篇，其中2篇入选“ESI高被引论文”，2篇PRL和1篇中国科学入选“编辑推荐”论文，1篇PRL和1篇中国科学入选“封面文章”。