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1、第三章影像原理3-1吸收影像法A.吸收影像装置圄3-1.此悬吸收影像法及其装置的示意徙左方打入一道频率在低温原子的共振频率或其频率附近之探测光束,其行第一面透,部分因悬碰撞参数速蹄低温原子Bl平均半的光束，如所描述，曾垂直射入透1,在焦黠J1聚焦，而在通谩透H2彳度，光束受到偏折，到逵了CCDo而碰撞参数接近低温原子困平均半的部分探测光,因悬频率在原子的共振频率或在共振频率富,7及原子如第二章所述，由四他步骤降低温度载入磁陷阱中，接下来的冏题是：要如何觐测？本章介貂雨槿影像方法，吸收影像法典黑暗背景影像法3,可提供IIB测在磁陷阱的87r低温原子。但上,我凭的是只利用吸收影像法觐测原子，而没有
2、利用黑暗背景影像法。基本上雨他影像法的倭器相近，因其原理的不同，装置上主要差昇只在於黑暗背景影像法H择探测光频率速蹄原子SBil频率，且在雨透共焦J1以一不透明物醴搐住聚焦於共焦J1的光，圄3-1奥圄3-3o所以，可以依所架情的吸收影像装置略作整悬黑暗背景影像装置。吸收影像法的主要装置是以一道探测光束及雨面透H典一架CCD侦测器所横成。架雨透的焦距在同一上,且原子S位於第一面透金竟前的焦距上，而CCD侦测器放置在第二面透彳爰的焦距附近，如Il3-1所示。取原子的吸收影像畴,是以频率在原子共振频率附近的探测光打向原子IH,在舆原子交互作用彳爰,由CCD侦测器接收。雨面透是用来整影像放大的倍率，,
3、ii择雨面透共焦，旋且因考空大小的保,11择第一面透的焦距热i12.5公分，第二面透11焦距悬25公分，由此可知原子l的影像曾放大雨倍。B.吸收影像原理悬何吸收影像法可觐测低温原子困？定性上,此方法是招一道服衡探测光束打向低温原子，其频率在原子的SSil频率附近。部份没有被原子吸收的探测光束，如置I3-1所示，曾谩透H1而接聚焦，再散到逵透2,光束偏折接打入CCD侦测器上。而被原子吸收的探测光，就瓢法到蓬CCD上。如此原子密度高的地方，探洌光被吸收的程度高，到逢CCD畴,强度减弱较多，原子密度低的地方，即反之。所以，CCD接收到的光强度分佛反鹰出原子厘）在空的密度分佛。基本上，探测光的频率得愈
4、接近原子的SBil频率B寺,原子吸收的程度曾愈强,亦即原子的吸收影像曾得到一较佳的SFI虢。以定量描述，富入射光强悬/0的探测光通谩磁陷阱内低温原子IaB寺,因悬部分探测光曾被原子吸收，所以光强度曾损失，最接到蓬CCD侦测器的光强度/:(3.1)I=he-ODOD耦悬光擘密度，它代表著沿著探测光方向原子的面密度乘上光的散射截面。：OD(x,y)=n(x,y,z)dz(3.2)其中“(x,y,z)悬原子密度，探测光的方向定羲悬Z方向。在室中，即使掉探测光源，CCD也曾接收到来自CCD的暗霜流及室温光子等等影警的强度，所以测量上,是分别以CCD侦测器取得三槿影像：ha探测光打向低温原子彳爰之光强度
5、分伟。加:只有探测光束而不放置低温原子B寺的光强度分佛。Idark：掉探测光源，CCD所接收的光强度分怖。再符!shadow!lightIdark典Zo、/的封J1如下If)=IligluIdark(3.3)I=1shadow!dark(34)要如何测得。值呢？符(3.3)及(3.4)式代入(3.1)式，整理之彳度可得八、1/加“ay)/市H*，y)1”八OZXx,y)=ln-(3.5)1&如,，(为)一般欣(，切此即室所测得的OD测量值。由(3.2)式可知，其值分佛封鹰原子困密度投影在CCD接收平面(即x-y平面)的分佛。由适棣的l息，可分析低温原子困的数目及温度。在4-2SiI的内容，封於
6、估tH氐温原子困的数目及分析低温原子困的温度，有辞黜的明或依除做出的结果，解算程序。另可利用来行日寺(timeofflight)法配合吸收影像法来戳察低温原子l,测量原子困在Ib量空的分伟。所需的来行畤法是符陷阱掉一段固定的日寺,原子自由来行，原子速度快的1,即空分伟速,散逸到较速的地方，原子速度慢的暂舌,即散逸的地方较小，此日寺原子圄在空上的分伟可由量典位置的性Bl保：=加包，傅换成在1量空/的分佛,因悬是性的，所以，在位置空典勤量空的分伟形式是一檬的。上的作法是把原子载入磁陷阱彳菱,先掉磁陷阱，原子不受陷阱拘束，自由来行。原子来行一段畴彳度,再打入一服衡探测光於吸收影像的影像装置中，她用C
7、CD侦测器去撮取原子困散逸的影像。因悬原子在空的分伟可樽换成在量空的分怖,如此符来行法配合吸收影像法，利用原子群散逸的影像，可掩得磁陷阱内低温原子困的勤量空的分傣资哥L3-2螯光影像法原理圈3-2.螯光影像法示意U原子吸收trapping光，放出蛰光。由於原子困是放在透1的焦距上，所以蛰光谩透1彳爰，成悬水平光束垂直地射入透2,螯光影像法，名思羲其影像装置接收到的光源是棣本所赞出的蛰光。磁光陷阱中低温原子，因吸收trapping光光子（耦六道雷射悬trapping光），原子曾激凌到较高的能P皆,彳爰又Sil到较低的能陷，释放出蜜光。如此持被trapping光作用，所以磁光陷阱中的原子，曾不断的
8、释放出螯光。所以，磁光陷阱中低温原子可以用蛰光影像法的影像装置去取得原子的螯光影像。磁陷阱中的原子，即因磁陷阱内没有trapping光，所以原子困不曾彝出蛰光。磁陷阱中的原子，彝出蛰光的可能性，只有在取其吸收影像畴,因悬服街探测光的瞬打入，使得原子只有在此趣短内,才曾吸收探测光或释放出蛰光。所以，在磁陷阱内的低温原子瓢法利用蛰光影警像法取得螯光影像。蛰光影像法的装置舆吸收影像法相同，同棣是由雨面透及一台CCD侦测器所横成（参考圈|32典31）不同之J8在於蛰光影像法没有打入探测光於影像系统中，CCD接收的光源是低温原子Iil所赞出的蛰光。装置的原理是把磁光陷阱中的低温原子困置於第一面透的焦距上
9、，CCD测器置於第二面透的焦距上。因悬原子於第一面透的焦距上，所赞出的蜜光，第一面透H彳爰,成悬水平光束垂直谨入第二面透彳差,聚焦於CCD上,而彳爰狸得磁光陷阱内原子l之蜜光影像。雎然由蛰光影像法，没有辨法掩得原子精硅有效的资哥I,但螯光影像法提供整倭器装置的方便性。由於吸收影像法是一槿破壤性影像法，打入探测光於磁陷阱低温原子以取得影像的同畴,也造成磁陷阱内原子温度上升，必须重新四他降温步骤,降低原子度!温度旋载入磁陷阱，才可取下一张吸收影像，所以由吸收影像法收集的结果悬参考，去整倭器装置的是费B寺噱日。的步骤上,在做吸收影像法之前，通常曾先做蛰光影像法，因悬它的装置舆吸收影像法相同，可直接由
10、螯光影像去整影像装置的解析度，方法是先大概放置透及CCD,再去微其相封位置，使所得蛰光影像愈清晰愈好，直到系统的解析度逵最好。如此硅定系统有一良好的解析度彳爰,只要再打入探测光，即可吸收影像法，由吸收影像去掩得原子的资l3-3黑暗背景影像法原理考符小且稠密的原子雪视悬一他透it,其半R且折射率悬，把它的焦距檄卷f,那麽/舆半及折射率n的保悬=2(-l)/?(3.6)波是人的光，通遇透中心它的相位移悬=4(m-1)(3.7)由(3.6)舆(3.7)式,可以得到f=2R2(3.8)而光的最大偏向角,得以近似悬OXRIf=Q矶)(4R)(3.9)如果5乃/2,光符因折射而被偏向某他角度，角度大於由射
11、所引起的散射角2/火。只要影像系统收集且影折射光，定量吸收影像法就有可能做到。然而，可以被解析的最小物醴的半Rd、通常由光擘系统的收集角(Coecoangle)Cl所决定：Rd=入2a(3.10)所以，光最大偏向角要落入。/2角度之内,a2mj-R(-)Rd由物醴筐生的外加折射光，符把光散射出此光擘系统,而妨i吸收测量。因此，造些散用L的折射，限制了吸收影像法使用在物醴大小23万乘上Rd=A2a(il射的限制值)的情猊,。色散的散射光是同的向前散射光，在均匀(homogeneous)介中，散射光只在舆入射光同一直的方向羟生建性干涉，透射光束的干涉是由於相位的改建(phaseshift)的结果，
12、我凭可用常兄折射率的理t来描述。相反的，封一他半2R非均匀(inhomogeneous)介;S而言，如同被陷阱捕捉的原子雪,同的散射光在的角度1域内有建性干涉。我俨可以彳住入射到影像系统的傅利蕖傅换平面的光，分蹄出散射光，在入射光形成焦黠的地方，可用一彳固小且不透明的物醴在焦黠J1搐起来(参兄圈33),此即悬何被耦悬黑暗背景(dark-backgroundimage)法，在微中很常兄,且典相位封比(PhaSeCOntraSt)法有相性。而所有道些方法，影像都是在傅利蕖平面中修正，加强相位的封比或霆敏度。圈3-3.黑暗背景影法示意置I。圃中没有碰到低温原子Iil的入射光,而虚代表打到原子凰彳菱的散射光，谩透H1彳爰隆交於焦黠Jt,而彳爰在焦IfiJt羟生一束交叉光,谩透2,因悬透1典透H2共焦，所以探洌光束平行射入CCDo而中，黑暗背景影法是以一不透明物醴放置在焦黠虑，以遮Jl没有打原子的入射光勰而打到原子的散射光，谩透1彳爰，不受阻碾地平行射透2,聚於CCD上。
