Abstract

In direct analogy to the textbook example of light guided in a few-mode fiber (FMF), we report the observation of the first excited mode of an optically guided atomic beam. We selectively excite the atomic analog of the LP01 optical mode by controlling the energy distribution of ultracold atoms loaded into the guide, resulting in a modal structure dominated by a 47(2)% population in the first excited transverse mode. The ability to guide lower-order modes has been essential to demonstrating optical effects such as multimode interferometry, slow light, and entanglement, and an atomic analog to a FMF may lead to similarly useful applications.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Meschede, Optics, Light and Lasers (Wiley, 2007).
  2. L. Jeunhomme and J. P. Pocholle, Appl. Opt. 17, 463 (1978).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. A. A. Sukhorukov, C. J. Handmer, C. M. de Sterke, and M. J. Steel, Opt. Express 15, 17954 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. A. Kumar, N. K. Goel, and R. K. Varshney, J. Lightwave Technol. 19, 358 (2001).
    [CrossRef]
  5. J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
    [CrossRef]
  6. Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
    [CrossRef]
  7. R. G. Dall, L. J. Byron, A. G. Truscott, G. R. Dennis, M. T. Johnsson, M. Jeppesen, and J. J. Hope, Opt. Express 15, 17673 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
    [CrossRef]
  9. M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
    [CrossRef]
  12. J. Denschlag, D. Cassettari, and J. Schmiedmayer, Phys. Rev. Lett. 82, 2014 (1999).
    [CrossRef]
  13. X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
    [CrossRef]
  14. W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
    [CrossRef]
  16. R. G. Dall and A. G. Truscott, Opt. Commun. 270, 255 (2007).
    [CrossRef]
  17. S. Choi, Y. Japha, and K. Burnett, Phys. Rev. A 61, 063606 (2000).
    [CrossRef]
  18. M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
    [CrossRef]
  19. D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics, 2nd ed. (Prentice Hall, 2004).
  20. J. F. Clauser, Physica B + C 151, 262 (1988).
    [CrossRef]

2010 (1)

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

2008 (1)

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

2007 (3)

2006 (1)

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

2002 (1)

Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
[CrossRef]

2001 (2)

A. Kumar, N. K. Goel, and R. K. Varshney, J. Lightwave Technol. 19, 358 (2001).
[CrossRef]

X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

S. Choi, Y. Japha, and K. Burnett, Phys. Rev. A 61, 063606 (2000).
[CrossRef]

1999 (2)

R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
[CrossRef]

J. Denschlag, D. Cassettari, and J. Schmiedmayer, Phys. Rev. Lett. 82, 2014 (1999).
[CrossRef]

1996 (1)

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

1995 (1)

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
[CrossRef]

1988 (1)

J. F. Clauser, Physica B + C 151, 262 (1988).
[CrossRef]

1978 (1)

Allen, L.

M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
[CrossRef]

Anderson, D. Z.

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

Aspect, A.

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Bachor, H.-A.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Baldwin, K. G. H.

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
[CrossRef]

Beijersbergen, M. W.

M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
[CrossRef]

Bouyer, P.

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Buckman, S. J.

R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
[CrossRef]

Burnett, K.

S. Choi, Y. Japha, and K. Burnett, Phys. Rev. A 61, 063606 (2000).
[CrossRef]

Busch, Th.

Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
[CrossRef]

Byron, L. J.

Cassettari, D.

J. Denschlag, D. Cassettari, and J. Schmiedmayer, Phys. Rev. Lett. 82, 2014 (1999).
[CrossRef]

Choi, S.

S. Choi, Y. Japha, and K. Burnett, Phys. Rev. A 61, 063606 (2000).
[CrossRef]

Clauser, J. F.

J. F. Clauser, Physica B + C 151, 262 (1988).
[CrossRef]

Cornell, E. A.

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

Couvert, A.

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

Dall, R. G.

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

R. G. Dall and A. G. Truscott, Opt. Commun. 270, 255 (2007).
[CrossRef]

R. G. Dall, L. J. Byron, A. G. Truscott, G. R. Dennis, M. T. Johnsson, M. Jeppesen, and J. J. Hope, Opt. Express 15, 17673 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
[CrossRef]

de Sterke, C. M.

Dennis, G. R.

Denschlag, J.

J. Denschlag, D. Cassettari, and J. Schmiedmayer, Phys. Rev. Lett. 82, 2014 (1999).
[CrossRef]

Esslinger, T.

Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
[CrossRef]

Gaebler, J. P.

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Goel, N. K.

Griffiths, D. J.

D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics, 2nd ed. (Prentice Hall, 2004).

Guerin, W.

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Guery-Odelin, D.

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

Handmer, C. J.

Harb, C. C.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Hodgman, S. S.

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

Hoogerland, M. D.

R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
[CrossRef]

Hope, J. J.

Ito, H.

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Janousek, J.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Japha, Y.

S. Choi, Y. Japha, and K. Burnett, Phys. Rev. A 61, 063606 (2000).
[CrossRef]

Jeppesen, M.

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

R. G. Dall, L. J. Byron, A. G. Truscott, G. R. Dennis, M. T. Johnsson, M. Jeppesen, and J. J. Hope, Opt. Express 15, 17673 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Jeunhomme, L.

Jhe, W.

X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
[CrossRef]

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Johnsson, M. T.

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

R. G. Dall, L. J. Byron, A. G. Truscott, G. R. Dennis, M. T. Johnsson, M. Jeppesen, and J. J. Hope, Opt. Express 15, 17673 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Josse, V.

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Kawalec, T.

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

Kim, K.

X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
[CrossRef]

Köhl, M.

Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
[CrossRef]

Kumar, A.

Kwon, N.

X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
[CrossRef]

Lam, P. K.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Lee, K. I.

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Mathevet, R.

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

Meschede, D.

D. Meschede, Optics, Light and Lasers (Wiley, 2007).

Mølmer, K.

Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
[CrossRef]

Montgomery, D.

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

Morizur, J.-F.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Nakata, T.

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Ohtsu, M.

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Pocholle, J. P.

Reinaudi, G.

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

Renn, M. J.

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

Riou, J.-F.

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Sakaki, K.

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Schmiedmayer, J.

J. Denschlag, D. Cassettari, and J. Schmiedmayer, Phys. Rev. Lett. 82, 2014 (1999).
[CrossRef]

Steel, M. J.

Sukhorukov, A. A.

Treps, N.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Truscott, A. G.

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

R. G. Dall and A. G. Truscott, Opt. Commun. 270, 255 (2007).
[CrossRef]

R. G. Dall, L. J. Byron, A. G. Truscott, G. R. Dennis, M. T. Johnsson, M. Jeppesen, and J. J. Hope, Opt. Express 15, 17673 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

van der Veen, H. E. L. O.

M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
[CrossRef]

Varshney, R. K.

Vdovin, O.

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

Wagner, K.

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Wieman, C. E.

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

Woerdman, J. P.

M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
[CrossRef]

Xu, X.

X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

Europhys. Lett. (1)

A. Couvert, M. Jeppesen, T. Kawalec, G. Reinaudi, R. Mathevet, and D. Guery-Odelin, Europhys. Lett. 83, 50001 (2008).
[CrossRef]

J. Lightwave Technol. (1)

J. Opt. B (1)

R. G. Dall, M. D. Hoogerland, K. G. H. Baldwin, and S. J. Buckman, J. Opt. B 1, 396 (1999).
[CrossRef]

Nat. Photon. (1)

J. Janousek, K. Wagner, J.-F. Morizur, N. Treps, P. K. Lam, C. C. Harb, and H.-A. Bachor, Nat. Photon. 3, 399(2009).
[CrossRef]

Opt. Commun. (2)

R. G. Dall and A. G. Truscott, Opt. Commun. 270, 255 (2007).
[CrossRef]

M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen, and J. P. Woerdman, Opt. Commun. 96, 123 (1993).
[CrossRef]

Opt. Express (2)

Phys. Rev. A (4)

S. Choi, Y. Japha, and K. Burnett, Phys. Rev. A 61, 063606 (2000).
[CrossRef]

X. Xu, K. Kim, W. Jhe, and N. Kwon, Phys. Rev. A 63, 063401 (2001).
[CrossRef]

R. G. Dall, S. S. Hodgman, M. T. Johnsson, K. G. H. Baldwin, and A. G. Truscott, Phys. Rev. A 81, 011602(R) (2010).
[CrossRef]

Th. Busch, M. Köhl, T. Esslinger, and K. Mølmer, Phys. Rev. A 65, 043615 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (4)

M. J. Renn, D. Montgomery, O. Vdovin, D. Z. Anderson, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 75, 3253(1995).
[CrossRef] [PubMed]

H. Ito, T. Nakata, K. Sakaki, M. Ohtsu, K. I. Lee, and W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 76, 4500 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

J. Denschlag, D. Cassettari, and J. Schmiedmayer, Phys. Rev. Lett. 82, 2014 (1999).
[CrossRef]

W. Guerin, J.-F. Riou, J. P. Gaebler, V. Josse, P. Bouyer, and A. Aspect, Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Physica B + C (1)

J. F. Clauser, Physica B + C 151, 262 (1988).
[CrossRef]

Other (2)

D. Meschede, Optics, Light and Lasers (Wiley, 2007).

D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics, 2nd ed. (Prentice Hall, 2004).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental schematic: atoms are trapped optically at the focus of a single 1550 nm laser beam. An atom laser/cold thermal beam is formed by output-coupling from the BEC/thermal cloud held in the optical trap, and is optically guided toward the microchannel plate and delay-line detector below.

Fig. 2
Fig. 2

False color image of guided atoms on the DLD, dominated by the first excited mode of the waveguide.

Fig. 3
Fig. 3

Modal fit to the transverse profile of the guided atomic beam incorporating the lowest six supported modes.

Fig. 4
Fig. 4

Relative occupancies of the lowest six supported modes calculated from the least-square fits in Fig. 3.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Ψ n ( x ) = 1 2 n n ! ( m ω π ) 1 / 4 e m ω x 2 2 H n ( m ω x ) ,
1 2 m ( r t ) 2 = ω r 2 ( n + 1 2 ) ,

Metrics