通过激光光场整形控制原子跃迁速率

提出一种模块化系统分析，考察通过定制外部相干光源的电磁场来修改原子跃迁速率的可行性。形式体系同时考虑原子的质心与内部自由度，以及场的所有性质：频率、角谱和偏振。讨论了内部禁戒跃迁反冲效应的一般特征。明确给出了不同结构光源的对比分析，包括球面波、高斯光束、拉盖尔-高斯光束以及具有闭合解析表达式的传播不变光束。研究表明，相对于傍轴极限下获得的跃迁速率，高斯和拉盖尔-高斯光束的跃迁速率要增加一个数量级，需要束腰达到波长量级；而传播不变模式在更有利的条件下可显著增强跃迁速率。对于可自然描述为原子角动量修饰的跃迁，这种增强在传播不变光束中对贝塞尔模最大；马蒂厄模可用于纠缠所涉及的内部与质心态；韦伯光束抑制此类跃迁，除非其具有显著的奇模分量。然而，若允许具有适当对称性的跃迁的反冲效应，则全局跃迁速率（质心与内部运动）也可利用韦伯模增强。该整体分析强化了如下观点：更好地控制原子内部态之间的跃迁，需要同时适当控制原子质心可用态，并对背景电磁场进行整形。