原子束流裝置的製作方法
2023-11-30 13:42:41 1
本發明涉及原子束流，特別是一種原子束流裝置。
背景技術：
隨著雷射冷卻原子技術的發展，超冷原子已經逐漸在量子頻標、原子幹涉儀和量子信息處理等方面有了廣泛的應用。對於超冷原子的產生裝置，雙腔冷原子系統越來越常用，採用二維磁光阱為三維磁光阱提供原子束流的方式。這種方式可以解決磁阱壽命和裝載效率的矛盾。一個腔體做二維磁光阱，另一個做三維磁光阱，中間用一個差分管連接兩個真空腔，並保持這兩個腔體有一到兩個數量級的真空差。便於二維磁光阱獲得足夠大的原子束流(1×109-1×1012個/秒)，同時可提高三維磁光阱的裝載速度和冷原子製備速率。同時高真空腔室的超高真空足夠完成蒸發冷卻和後續試驗。
傳統上利用二維磁光阱產生原子束的實驗裝置往往比較複雜，這其中包括光路和磁場線圈結構，這在一定程度上不利於冷原子系統的小型化和實用化，因此有必要研製小型化的冷原子束產生裝置。
目前，二維磁光阱的實現主要採用四束光對射的方式，如文獻1：Schoser J,A, R,et al.Physical Review A,2002,66(2):207-212)中記載的。二維磁光阱的磁場也是由兩對反亥姆霍茲線圈提供的，如文獻2：Dieckmann K,Spreeuw R J,Weidemüller M,et al.Physical Review A,1998,58(5):3891-3895)中記載的。或者由外置的四根永磁鐵產生，如文獻3：Salim E A,Denatale J,Farkas D M,et al.Quantum Information Processing,2011,10(6):975-994:)中記載的。
因此，為了簡化整個原子束產生裝置，需要從光路和磁場上簡化，需要使整個系統更加穩定，從而實現為三維磁光阱提供高通量原子束流。
技術實現要素：
本發明的目的是為了改進傳統的原子束產生裝置的體積大、功耗高、不穩定等問題，提供一種簡單的利用長條形光柵產生原子束的裝置。
本發明的技術解決方案如下：
一種原子束流裝置，包括光學系統，其特點在於還有真空玻璃腔體和長條形光柵，所述的玻璃腔體是一個準長方腔體，四條水平稜具有水平平面，由右面、左面、後面、前面、頂面、底面、底前稜面、底後稜面、頂後稜面、頂前稜面組成，該玻璃腔體的右面與左面平行，後面與前面平行，頂面與底面平行，右面與後面垂直，底前稜面與頂後稜面平行，底後稜面與頂前稜面平行，底前稜面與頂前稜面垂直，面底前稜面均與前面、底面成夾角45°，第一釹鐵硼磁鐵、第二釹鐵硼磁鐵、第三釹鐵硼磁鐵和第四釹鐵硼磁鐵依次用真空環氧樹脂膠粘在所述的玻璃腔體內的底前稜面、底後稜面、頂後稜面和頂前稜面上；右面中心有一個小孔，用於保證與高真空腔的真空差，同時輸出原子束流到高真空腔中；玻璃腔體有一個光孔，用於熱原子源的輸入；所述的長條形光柵用真空環氧樹脂膠粘在頂面上靠右；
所述的光路系統包括第一臺雷射器和第二雷射器，沿第一臺雷射器輸出的冷卻光方向依次是第一1/2波片和偏振分束稜鏡，沿第二雷射器輸出的再抽運光方向依次是第二1/2波片和偏振分束稜鏡，在偏振分束稜鏡內所述的冷卻光的反射光與所述的再抽運光的透射光重合為光束，該光束依次經過第一反射鏡、凹型柱面鏡、凸型柱面鏡、第二反射鏡和四分之一波片輸出右旋圓偏振光，該右旋圓偏振光垂直於玻璃腔體的底面入射到玻璃腔體內，並垂直入射到所述的長條形光柵上。
本發明的技術效果：
本發明採用準長方體的真空玻璃腔體，並將長條形光柵粘在真空玻璃腔體的一個水平面內，將四根釹鐵硼磁鐵也粘在真空玻璃腔體的四個水平稜面上。與現有技術相比，這種內置釹鐵硼磁鐵的方式更加簡單，不需要外接電源供電，也無需外在的固定及空間位置調節裝置；採用長條形光柵粘在真空玻璃腔體內的方式，與傳統的四束光對射的方式相比，整個裝置只需要單束圓偏振光輸入並垂直入射到長條形光柵上即可產生±1級衍射光與入射光形成的三束光結構，再配合四根釹鐵硼形成的磁場就可以形成二維磁光阱，就可以產生高通量的原子束。該裝置比傳統裝置體積更小，功耗更低，更加穩定。
附圖說明
圖1是本發明原子束流裝置的示意圖
圖2是本發明原子束流裝置的真空玻璃腔體仰視圖
圖3是本發明原子束流裝置的真空玻璃腔體右視圖
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明進一步說明，但不應以此限制本發明的變化範圍。
先請參閱圖1、圖2和圖3，由圖可見，本發明原子束流裝置，包括光學系統，其特徵在於還有真空玻璃腔體17和長條形反射光柵20，所述的玻璃腔體17是一個準長方腔體，四條水平稜具有水平平面，由右面171、左面172、後面173、前面174、頂面175、底面176、底前稜面170、底後稜面177、頂後稜面178、頂前稜面179組成，該玻璃腔體的右面171與左面172平行，後面173與前面174平行，頂面175與底面176平行，右面171與後面173垂直，底前稜面170與頂後稜面178平行，底後稜面177與頂前稜面179平行，底前稜面170與頂前稜面179垂直，面底前稜面170均與前面174、底面176成夾角45°，第一釹鐵硼磁鐵23、第二釹鐵硼磁鐵24、第三釹鐵硼磁鐵19和第四釹鐵硼磁鐵18依次用真空環氧樹脂膠粘在所述的玻璃腔體17內的底前稜面170、底後稜面177、頂後稜面178和頂前稜面179上；右面171中心有一個小孔22，用於保證與高真空腔的真空差，同時輸出原子束流到高真空腔中；底面176靠左有一個光孔25，用於熱原子源15的輸入；所述的長條形反射光柵20用真空環氧樹脂膠粘在頂面175上靠右；
所述的光路系統包括第一臺雷射器1和第二雷射器4，沿第一臺雷射器1輸出的冷卻光2方向依次是第一1/2波片3和偏振分束稜鏡7，沿第二雷射器4輸出的再抽運光5方向依次是第二1/2波片6和偏振分束稜鏡7，在偏振分束稜鏡7內所述的冷卻光2的反射光與所述的再抽運光5的透射光重合為光束8，該光束8依次經過第一反射鏡9、凹型柱面鏡10、凸型柱面鏡11、第二反射鏡12和四分之一波片13輸出右旋圓偏振光14，該右旋圓偏振光14垂直於玻璃腔體的底面176入射到玻璃腔體內，並垂直入射到所述的光柵20上。
下面是一個具體實施例的有關參數：圖3中的長邊(水平和豎直方向的稜)的長度為：20mm，短邊(與水平方向成45°夾角的稜)的長度為2mm。右面171中心開有一個小孔22，直徑為1-3mm，用於保證與高真空腔的真空差，同時通過此小孔將原子束流輸出到高真空腔中。真空玻璃腔體的面173上同樣開有一個孔，用來熔接熱原子發生管15，孔的直徑為6mm。
真空玻璃腔體中內置的長條形光柵20表面的尺寸為45mm×15mm，光柵周期為1.2μm，佔空比為1:1，光柵刻蝕深度為195μm；四個釹鐵硼磁鐵的尺寸均為：2mm×2mm，長度為：45mm。光柵用真空環氧樹脂膠353ND粘在玻璃腔體的前面174上。四根釹鐵硼磁鐵18、19、23、24分別用真空環氧樹脂膠粘到玻璃腔體的面179、178、170、177上，而且四根磁鐵的磁場NS極分別相鄰，形成軸向磁場梯度為1-3mT/cm的磁場。
光路部分：第一臺雷射器1輸出的冷卻光2的功率為50mW，並經過一個1/2波片3和一個偏振分束稜鏡7；另外，第二臺雷射器4輸出的再抽運光5功率為10mW，經過一個1/2波片6和偏振分束稜鏡7；透射的再抽運光與反射的冷卻光重合為光束8。光束8經過反射鏡9，並經過凹型柱面鏡10和凸型柱面鏡11後擴束為尺寸為20mm×50mm的橢圓光。利用反射鏡9和12，再經過四分之一波片13調成右旋圓偏振光14，並垂直於真空玻璃腔體的後面173入射到真空玻璃腔體內，並垂直入射到光柵20上。光柵衍射的±1級的衍射光與入射光形成的三束光，再配合四根釹鐵硼形成的磁場可以形成二維磁光阱，產生原子束流。