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 4 Z 4, pp. 399∼404

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Temperature Measurement by Using Time of Flight to Magneto Optically Trapped ⁸⁷ Rb Atoms

Hoon Yu · Hyun Kyung Lee · Mi Hyun Choi · Jung Bog Kim ^∗

Department of Physics Education, Korea National University of Education, Chung Buk 363-791 (Received 5 January 2012 : revised 29 February 2012 : accepted 29 March 2012)

We have measured the temperatures of magneto-optical trapped atoms by using the time-of-flight method. We realized the magneto optical trapping of

⁸⁷

Rb atoms by using 12-MHz red-detuned laser beams and a 21.1-G/cm magnetic field. The temperature of the trapped atoms was measured by taking time of flight absorption images. We used the horizontal profiles of absorption rates in the images to measure the variance of the atomic distribution. The mean temperature of the trapped atoms was 117 ± 10 µK. Furthermore, we realized sub-Doppler cooling, PGC (Polarization Gradient Cooling), with three pairs of σ

⁺

-σ

⁻

polarized 2 ms pulses that were 60-MHz red-detuned.

The mean temperature of the sub-Doppler cooled atoms was 36 ± 1 µK. We also measured the free falling distance from the atomic distribution to increase the accuracy of the imaging system’s magnification and mean atomic temperature.

PACS numbers: 32.80.Pj, 32.80.Lg

Keywords: MOT (Magneto optical trap), PGC (Polarization gradient cooling), TOF (Time of flight), Tem- perature

∗

E-mail: jbkim@knue.ac.kr -399-

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(0) + k

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Fig. 1. (Color online) Lasers setup for MOT and mea- surement (ECDL : external cavity diode laser, SAS : saturated absorption spectrum, TA : tapered amplifier, HWP : half wave plate, QWP : quarter wave plate, M : mirror, PBS : polarization beam splitter, L : lens, M.S.

: mechanical shutter, SM fiber : single mode fiber, PM fiber : polarization maintaining fiber).

III. ÷ m Ç] M öX ê sV 

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= 3) _  / B N

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Fig. 3. (Color online) The control sequence for an ab- sorption image as a function of time of flight. The first probe pulse is for taking image of shadow due to trapped atoms. And the second probe pulse is for reference. Thus one absorption image is only taken in each trapping se- quence. The duration for time of flight is varied for tem- perature measurement. The Γ means natural line width of Rb atoms. (a) time table for temperature measure- ment of MOT (b) time table for polarization gradient cooling and temperature measurement.

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Fig. 4. (Color online) Inset black box shows absorption images as time of flight. Y -axis represents variance of atomic distribution profile, Gaussian, along horizontal direction. Each point is the average of three images.

This result corresponds to117 ± 10 µK.

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Fig. 5. (Color online) Upper black box shows absorption images of cooled atoms below Doppler limit as time of flight. The duration of PGC is 2 ms and detuning of cool- ing beams is 10Γ. Y -axis represents variance of atomic distribution profile, Gaussian, along horizontal direction.

Each point is the average of three images. This result corresponds to 36 ± 1 µK. The inset box shows calibra- tion of size of image. The x-axis represents square of the free falling time. The left y-axis represents free falling distance of diffusing atoms in number of pixels and the right y-axis is in the unit of meter.

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[16] H. J. Metcalf and P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping (Springer, New York, 1999), Chap. 5.

[17] W. H. Kang, “Physics of statistical process” (han-

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