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Single-shot Imaging of BEC Photon Gas

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)粒子中被觀測和研究。然而，最廣為人知的光子(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)果給出了對光的新量子態(tài)，例如周期勢，新波段光源等的研究前景。
 

 
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）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，我們在充滿染料的、反射鏡間距在波長量級(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器上是非常有挑戰(zhàn)的。
 
我們使用532nm附近波長的泵浦激光器來激發(fā)染料分子。對有機(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。
 
 
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. Klärs, J. Schmitt, F. Vewinger & M. Weitz, Nature 468, 545 (2010)
J. Klärs, J. Schmitt, T. Damm, F. Vewinger & M. Weitz, Appl. Phys. B 105, 17 (2011)