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原子干涉仪

干涉是波的本质特性。光是一种电磁波，光的干涉现象已早被人们认识。根据量子理论，任何微观粒子(如电子、中子、原子、分子)都具有波粒二象性，微观粒子的波动性(称为物质波或德布罗意波)由波函数描述，服从薛定谔方程。物质波同样满足线性叠加原理，具有相干性。随着原子操控技术的成熟，原子物质波干涉的研究得到了快速的发展。类似于光波干涉仪，原子干涉仪是通过对原子波包相干操作而实现的。原子干涉仪的实现一般分为几个步骤：原子初态制备、原子波包相干分束、原子波包自由演化、原子波包相干合束、原子内态布居数的探测和原子外态信息的提取。在原子干涉仪中要对原子波包相干地分束和合束，并保证原子波包在自由演化过程中保持其特性。操作原子波包的方式有微结构的光栅、激光驻波衍射光栅结构、狭缝和受激拉曼(Raman)跃迁等。

 冷原子和超冷原子的德布罗意波长稍长，利用冷原子可以增大原子干涉条纹的间距，易于呈现物质波的干涉特性。自1991年以来，原子干涉仪已经被广泛地应用于大地测量、惯性导航、广义相对论检验、基本物理常数确定等。重力测量仪器在资源勘探和环境勘查中有广泛的用途。原子干涉仪可用于重力测量，是一种新型的重力测量仪器。在原子干涉仪研究工作的基础上，开展重力测量及原子干涉仪的应用研究。所有这些应用得益于冷原子的特性，也促进了原子干涉仪精密测量技术的发展。 

目前常见的原子干涉仪是拉曼跃迁型原子干涉仪，通过受激拉曼过程实现对原子波包的相干操作。根据拉曼光脉冲序列的不同，冷原子干涉仪可分为拉姆齐-伯德(Ramsey-Bordé)型和M-Z型两类，其它类型的原子干涉仪均可看成是这两类原子干涉仪的演变。

受激拉曼跃迁

受激拉曼跃迁过程可以用三能级原子模型来说明。如图1所示，单模激光场w₁和w₂耦合原子的两个基态|1〉、|3〉和一个激发态|2〉，形成相干受激拉曼跃迁。通过受激拉曼跃迁，可以实现原子布居数在不同基态的转移，态之间布居数的转移由等效拉比(Rabi)频率(W_R)、双光子失谐(δ)和相互作用时间(τ)共同决定，这个过程类似于微波场与一个两能级系统的拉比振荡过程。初始态在基态|1〉的原子，经受激拉曼跃迁过程跃迁到基态|3〉。扫描拉曼光光强时，原子在|3〉态的布居数呈现拉比振荡，它是一个正弦曲线，拉比振荡的衰减是由于拉曼光光强分布不均匀和原子的速度分布导致的，拉比振荡的周期依赖于磁场的方向。有一半原子的布居到|3〉态时对应的受激拉曼跃迁的脉冲为p/2，原子全部布居到|3〉态时对应的脉冲为p。

受激拉曼光跃迁过程中，伴随原子布居数转移的是原子反冲动量的改变。在单光子跃迁过程中，原子每吸收一个光子就发生自发辐射，自发辐射的光子是沿着各个方向，原子获得的等效反冲动量是吸收一个单光子的反冲动量；但在受激拉曼跃迁过程中，原子吸收光子时伴随着受激辐射，受激辐射光子的方向与两个拉曼光的方向有关。相向传播的拉曼光光子动量分别是|ħk₁|和|ħk₂|，原子吸收第一个光子的同时获得一个光子的反冲动量|ħk₁|，吸收第二个光子的同时获得一个光子的反冲动量|ħk₂|，原子在受激辐射两个光子2|ħk₂|的同时获得两个光子的反冲动量|ħk₁|+|ħk₂|。

 图1三能级原子受激拉曼跃迁过程。 

拉姆齐-伯德型原子干涉仪

冷原子拉姆齐-伯德干涉仪可采用受激拉曼跃迁过程、利用p/2-p/2拉曼光脉冲序列来实现。一个典型的拉姆齐-伯德型原子干涉仪的实验方案如图2所示，处于初态|1〉态原子，先受到p/2脉冲的拉曼光作用，自由演化T 时间后，再受到第二个p/2 脉冲的拉曼光作用，则|3〉态原子布居数呈现出拉姆齐-伯德干涉条纹。

图2 拉姆齐-伯德型原子干涉仪的实验方案。

 

M-Z型原子干涉仪

 

图3 M-Z型原子干涉仪示意图。

 

M-Z型原子干涉仪由Pi/2−Pi−Pi/2拉曼脉冲序列来完成。如图3所示，初始态在|1〉态原子经过第一个拉曼脉冲实现分束时，原子有一半的几率继续处在|1〉态，有一半的几率发生跃迁而处在|3〉态，在|3〉态的原子同时获得激光的相位Ø1，形成一个相干叠加态；当原子与第二个拉曼光脉冲作用时，原子正好感受到一个Pi 的跃迁，原子布居数发生交换的同时均获得激光的相位Ø2；当原子与第三个拉曼光脉冲作用时，|1〉态的原子有一半的几率继续呆在|1〉态，有一半的几率发生跃迁而呆在|3〉态，同样，|3〉态的原子有一半的几率继续呆在|3〉态，有一半的几率发生跃迁而呆在|1〉态，均获激光的相位Ø3，因此，原子经过三个拉曼脉冲作用后原子内态发生变化，原子内态布居数的变化与拉曼光的相位有关，当扫描任意一个拉曼光相位时，可以得到原子干涉条纹。典型的M-Z型原子干涉条纹如图4所示。

图4 M-Z型原子干涉条纹。

实验装置