一種多窗面玻璃氣室的製作方法

2023-05-18 09:57:41

專利名稱：一種多窗面玻璃氣室的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多窗面玻璃氣室，尤其是涉及一種可用於磁光阱裝置的超高真空玻璃氣室，適用於雷射冷卻與囚禁中性原子、冷原子光譜實驗研究、冷原子電磁誘導透明實驗研究、玻色-愛因斯坦凝聚、腔中原子的動力學、原子光學、量子信息等領域。
背景技術：
中性原子的雷射冷卻與囚禁是上世紀八十年代發展起來的新的實驗技術，相關的研究工作曾於1997年獲得了諾貝爾物理學獎。雷射冷卻技術使中性原子的溫度達到mK量級，並進入nK量級，從而開闢了「冷原子物理」研究的新篇章，以冷原子為基礎的研究成果日新月異，藉助於雷射冷卻與囚禁技術，物理學家於1995年實現了玻色-愛因斯坦凝聚，相關的研究工作於2001年再次獲得諾貝爾物理學獎。目前，雷射冷卻與囚禁的中性原子，已被用來研究原子頻標、原子光學、玻色-愛因斯坦凝聚、原子雷射、電磁誘導透明、腔量子電動力學以及量子信息等。
用於中性原子雷射冷卻與囚禁的磁光阱裝置是目前比較成功而又具有代表性的實驗裝置，是製備和研究冷原子的基本實驗工具，國際上開展冷原子物理及其相關研究的實驗小組幾乎都建有磁光阱實驗裝置。磁光阱的核心部分是雷射與原子相互作用的真空氣室(或真空腔)。磁光阱真空氣室的設計製作尚無統一的標準，不同的研究小組使用的磁光阱真空氣室各不相同。目前，還沒有一種設計精巧、通用性好、可商品化的磁光阱真空氣室。
磁光阱工作時，需要將3對起冷卻與囚禁作用的雷射束和1束起再泵浦作用的雷射束交匯於非均勻磁阱的中心點，這些光束需要3到4對光學窗口。另外，磁光阱真空室需要給CCD(Charge CoupledDevice，電荷耦合裝置)監視信號或給接收螢光信號用的光電二極體等預留1塊光學窗口。在原子被冷卻、囚禁以後，開展光與冷原子團相互作用的物理實驗時，還需要有1對可施加額外作用雷射束的光學窗口。因此，一塊完整的可用於冷原子物理研究的磁光阱真空室至少需要有9塊透光窗口。通常的磁光阱真空室用不鏽鋼圓柱腔製成，透光窗口採用標準法蘭型玻璃觀察窗，這些觀察窗以特定的空間位置焊接於不鏽鋼圓柱腔體上。用金屬腔和觀察窗組成的磁光阱真空室的最大優點是結構堅固，空間對稱性好。但由於其體積往往比較大，難以小型化，從而使整塊系統顯得很笨重；其次，由於金屬腔的體積大，置於真空室外部的磁場線圈的直徑也難以縮小，與內徑較小的磁場線圈相比，產生相同的磁場梯度需要消耗更多的電功率；另一方面，不鏽鋼材料往往具有剩磁，這對一些特殊的磁光阱，如玻色-愛因斯坦凝聚裝置、原子噴泉裝置等，具有極其不利的影響。
為了克服不鏽鋼真空室的上述缺點，人們採用玻璃真氣室來組成磁光阱。目前，最常見的玻璃氣室為的中空長方體形，長方體的一個端面與真空泵連結，其餘5個端面用於通光和探測信號。長方體形玻璃氣室很好地解決了磁光阱小型化和磁場優化的問題，但存在的問題是，垂直透光窗面太少，僅可以兩對光束垂直通過氣室，其餘的光束只能斜入射通過氣室。與垂直入射方式相比，斜入射光會產生更多的雜散光，而這些雜散光對形成高質量的磁光阱來說也是極其不利的。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種多窗面玻璃氣室，解決現有磁光阱氣室窗面少、通用性差的缺陷。該氣室有多個窗面，通用性好、結構簡單、功能多、可商品化。
為了達到上述目的，本實用新型採用如下設計方案採用帶有刀口密封法蘭的標準高真空不鏽鋼-石英過渡管與有規則幾何形狀的玻璃容器構成多窗面玻璃氣室。玻璃氣室選用石英材料，氣室的外形為正八稜柱形，氣室的上、下底面為正八邊形石英玻璃片，八塊側面為矩形石英玻璃片，其中3塊矩形石英玻璃片上開有圓孔。不鏽鋼-石英過渡管與1塊開有圓孔的矩形石英玻璃片相連，該圓孔矩形石英玻璃片分別與2塊矩形石英玻璃片、2塊正八邊形石英玻璃片相連，正八邊形石英玻璃片分別與其它5塊矩形石英玻璃片和2塊有圓孔的矩形石英玻璃片相連，2塊有圓孔的矩形石英玻璃片分別與2塊帶有布魯斯特(Brewster)窗的石英圓管相連。以上3塊有圓孔的矩形石英玻璃片、5塊矩形石英玻璃片、2塊正八邊形石英玻璃片共同連結成為一個八稜柱形玻璃容器。所有的石英玻璃片均有較好的光潔度，符合光學質量要求。石英玻璃片的連結處進行焊接或其它密封連接處理，能滿足超高真空的要求。
本實用新型與現有的磁光阱真空玻璃氣室相比具有以下優點(1)採用規則的正八稜柱形氣室，可以有9個形狀規則的透光窗面(4對+1個通光窗面)，可同時安排3對囚禁光束、1個信號探測器和1對作用光束，適合於開展光與冷原子相互作用的物理實驗，如玻色-愛因斯坦凝聚、冷原子電磁誘導透明、腔中原子的動力學研究等。
(2)氣室採用了石英材料，適用於紫外光、可見光和近紅外光波段，適宜的光譜範圍寬。
(3)有一對布魯斯特窗，可極大地方便具有線偏振特性的作用光或探測雷射束的通過。
(4)體積小巧，結構堅固，空間對稱性好，便於商品化，適於組建小型標準化磁光阱裝置。


圖1為多窗面玻璃氣室的主視圖。
圖2為多窗面玻璃氣室的俯視圖。
圖3為多窗面玻璃氣室的右視圖。
圖4為多窗面玻璃氣室的立體圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述法蘭1選用型國際標準不鏽鋼刀口法蘭，其孔徑比較適合於大多數磁光阱真空系統，法蘭也便於同其它帶有CF35法蘭的真空泵或真空閥連接。
不鏽鋼一石英過渡管2的不鏽鋼一端與不鏽鋼法蘭焊接，石英一端與石英氣室的1個開有圓孔的窗面焊接。通常標準刀口法蘭1和不鏽鋼—石英過渡管2作為一個整體部件，可在大多數真空器件供應公司購置。
矩形石英玻璃片3用於構造八稜柱形玻璃氣室的側面，共有3a、3b、3c、3d、3e等相同的5片，側面之間的密封連接處構成八稜柱形玻璃氣室的側稜。
開有圓孔的矩形石英玻璃片4用於構造八稜柱形玻璃氣室的側面，並與外接石英圓管在圓孔處焊接，共有4a、4b、4c相同的3片，其中，4a與不鏽鋼—石英過渡管2密封連接，4b和4c分別與帶布魯斯特窗口的石英圓管6a和6b密封連接。
正八邊形石英玻璃片5用於構造八稜柱形玻璃氣室的上、下底面，其中5a為上底面，5b為下底面，正八邊形石英玻璃上、下底面的邊依次與側面4a、3a、4b、3b、3c、3d、4c、3e的上、下邊密封連接。
帶布魯斯特窗口的石英圓管6將一截石英圓管的一端按布魯斯特角(55.6°)切割或磨成橢圓形斜口，圖3中，部件6a的左下方的截角為布魯斯特角的餘角(34.4°)，同樣，部件6b的右下方的截角為布魯斯特角的餘角(34.4°)。石英圓管的橢圓形斜口上密封焊接一片邊緣吻合的橢圓形石英玻璃片，構成布魯斯特窗。相同的部件有6a、6b兩件。6a、6b的圓形開口一端分別與矩形石英玻璃側面4b、4c的圓孔邊緣密封焊接。6a和6b的布魯斯特窗的斜面朝上。
根據圖1、圖2、圖3和圖4所示，該多窗面玻璃氣室由法蘭1、不鏽鋼-石英過渡管2和石英玻璃片構成，不鏽鋼-石英過渡管2與開有圓孔的矩形石英玻璃片4a相連，有圓孔的矩形石英玻璃片4a分別與矩形石英玻璃片3a、3e、正八邊形石英玻璃片5a、5b相連，有圓孔的矩形石英玻璃片4b與矩形石英玻璃片3a、3b相連，有圓孔的矩形石英玻璃片4c與矩形石英玻璃片3d、3e相連，矩形石英玻璃片3c分別與矩形石英玻璃片3b、3d相連。正八邊形石英玻璃片5a分別與矩形石英玻璃片3a、3b、3c、3d、3e、有圓孔的矩形石英玻璃片4b、4c相連。正八邊形石英玻璃片5b分別與矩形石英玻璃片3a、3b、3c、3d、3e、有圓孔的矩形石英玻璃片4b、4c相連。以上3塊有圓孔的矩形石英玻璃片、5塊矩形石英玻璃片、2塊正八邊形石英玻璃片共同連結成為一塊八稜柱形玻璃容器。有圓孔的矩形石英玻璃片4b與石英圓管6a相連。有圓孔的矩形石英玻璃片4c與石英圓管6b相連。標準刀口法蘭1和不鏽鋼-石英過渡管2構成可閥，作為多窗面玻璃氣室與真空系統的連接件。矩形石英玻璃片3、有圓孔的矩形石英玻璃片4、正八邊形石英玻璃片5構成八稜柱形玻璃氣室。帶布魯斯特窗口的石英圓管6a、6b構成一對布魯斯特光學窗。
以上技術方案可實現一種通用性好、結構簡單、多窗面、多功能、可商品化的磁光阱玻璃真空氣室。
權利要求1.一種多窗面玻璃氣室，該氣室由法蘭(1)、不鏽鋼-石英過渡管(2)石英玻璃片構成，其特徵在於不鏽鋼-石英過渡管(2)與開有圓孔的矩形石英玻璃片(4a)相連，有圓孔的矩形石英玻璃片(4a)分別與矩形石英玻璃片(3a)、(3e)、正八邊形石英玻璃片(5a)、(5b)相連，有圓孔的矩形石英玻璃片(4b)、(4c)分別與矩形石英玻璃片(3a)、(3b)、(3d)、(3e)相連，矩形石英玻璃片(3c)分別與矩形石英玻璃片(3b)、(3d)相連。
2.根據權利要求1所述的一種多窗面玻璃氣室，其特徵在於正八邊形石英玻璃片(5a)分別與矩形石英玻璃片(3a)、(3b)、(3c)、(3d)、(3e)、有圓孔的矩形石英玻璃片(4b)、(4c)相連。
3.根據權利要求1所述的一種多窗面玻璃氣室，其特徵在於正八邊形石英玻璃片(5b)分別與矩形石英玻璃片(3a)、(3b)、(3c)、(3d)、(3e)、有圓孔的矩形石英玻璃片(4b)、(4c)相連。
4.根據權利要求1所述的一種多窗面玻璃氣室，其特徵在於有圓孔的矩形石英玻璃片(4b)與石英圓管(6a)相連。
5.根據權利要求1所述的一種多窗面玻璃氣室，其特徵在於有圓孔的矩形石英玻璃片(4c)與石英圓管(6b)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種多窗面玻璃氣室，該氣室由法蘭、不鏽鋼－石英過渡管(可閥)、石英玻璃片構成，其特徵在於不鏽鋼－石英過渡管與開有圓孔的矩形石英玻璃片相連，有圓孔的矩形石英玻璃片分別與矩形石英玻璃片、正八邊形石英玻璃片相連，有圓孔的矩形石英玻璃片分別與帶有布魯斯特(Brewster)窗的玻璃圓管相連，有圓孔的矩形石英玻璃片、矩形石英玻璃片、正八邊形石英玻璃片共同連結成為一塊八稜柱形玻璃容器。本實用新型通用性好，結構簡單，功能多，可商品化。
文檔編號G01N23/00GK2769884SQ20042011123
公開日2006年4月5日 申請日期2004年11月5日 優先權日2004年11月5日
發明者王謹, 江開軍, 李可, 塗鮮花, 孔令波, 王平, 李潤兵, 王曉銳, 趙朋義, 呂寶龍, 詹明生 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所