一種冷原子束產生方法及其裝置的製作方法

2024-02-03 19:07:15

專利名稱：一種冷原子束產生方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種冷原子束髮生器，尤其能為原子幹涉儀提供單色性良好的冷原子束產生方法和發生裝置。
背景技術：
用於原子幹涉儀的原子束主要有兩種形式熱原子束和冷原子束。熱原子束原子幹涉儀採用的原子束的縱向速度較大(縱向速度即原子束前進方向上的運動速度，通常＞200m/s)，但針對原子幹涉儀對良好信噪比以及檢測精度的要求，根據Sagnac效應，利用冷原子束(速度＜30m/s)可以顯著提高原子幹涉儀的性能，因此非常有必要開發連續的冷原子束。自從70年代後期以來，人們利用光場對中性原子的輻射壓力作用，採用雷射對原子進行冷卻(降低速度)，把原子從每秒數百米甚至上千米的速度降低到每秒數釐米到數十米的速度，並進而對原子進行捕獲。經冷卻和捕獲得到的冷原子云團獲得了很多意義深遠的實際和理論應用，如原子頻標、原子鐘、原子幹涉、玻色-愛因斯坦凝聚等。
目前，在原子幹涉儀中採用的冷原子形式主要有三種方法(1)光學粘膠形成原子噴泉的冷原子束，如文獻1M.Kasevich，S.Chu，Phys.Rev.Lett.，1991，67181-184)中所記載的。
(2)相反方向雷射作用於塞曼(Zeeman)線圈中熱原子束而減速得到的冷原子束，如文獻2W.D.Phillips，J.V.Prodan，H.J.Metcalf，J.Opt.Soc.Am.B，1985，2(11)1751-1767；W.DeGraffenreid，J.Ramirez-Serran，Y.-M.Liu，J.Weiner，Rev.Sci.Instrum.，2000，71(10)3668-3676)中所記載的。
(3)採用了二維磁光阱(磁光阱以下簡稱MOT)冷卻與捕獲原子的形式，然後在與二維MOT正交的方向上形成一對不平衡的雷射從而把捕獲住的冷原子云團沿不平衡雷射束方向上推射出去形成一冷原子束，如文獻3K.Dieckmann，R.J.C.Spreeuw，M.Weidemuller et al.，Phys.Rev.A，1998，58(5)3891-3895)中所記載的。
對於第一種獲得冷原子束的方法，得到的冷原子束縱向速度(縱向速度即原子束前進方向上的速度)很低，縱向速度分布也很窄，具有良好的光學特性。但與之相應的裝置其光學系統複雜，操作技巧要求高，而且僅適合於重力方向上(即豎直方向上)的原子幹涉，原子通量也低；第二種方法中由於要使用Zeeman線圈，其體積龐大，線圈電流較大，需要採用冷卻水。雖然獲得的冷原子束通量較大，不過獲得的冷原子束橫向速度較大，對原子幹涉帶來較大的背景噪聲。第三種方法的二維MOT中採用了四根載流導線形成的四極磁場對原子進行了壓縮，但在原子出射出二維MOT形成原子束後，由於失去了橫向勢場的束縛，原子束在飛行中橫向上易於發熱膨脹，給後續原子幹涉的原子分波和幹涉帶來困難並極大引入了背景噪聲，同時有效原子通量也偏低。
當然，現有採用這三種方法獲得的冷原子束除了可用於原子幹涉儀外，還可用於如下領域給MOT加載原子，研究原子碰撞，原子光譜等等。
因此，要搭建性能良好、結構緊湊的原子幹涉儀，需要從冷原子束的光學特性，即縱向速度及分布和橫向速度(橫向速度即與縱向速度方向正交的速度)及分布，原子束通量，原子束源系統結構上進行考慮，而且為了原子束的有效分波和提高信噪比，需要克服原子束中的原子處於不同態的困難。

發明內容
本發明的目的在於克服現有獲得冷原子束的方法和相應裝置對於原子幹涉的應用存在的以下不足(1)橫向速度較大，原子通量偏低；(2)獲得的冷原子束不能同時具備原子縱向速度低、縱向速度分窄、通量較大的要求，所以應用於原子幹涉儀受到了限制；(3)產生冷原子束的裝置結構交複雜，體積較大；(4)冷原子束中原子所處的內部能態不一致，有必要進行態製備使處於同一態；從而提供一種搭建高精度原子幹涉儀用的光學特性良好、通量較大、態一致、結構緊湊、性能穩定的冷原子束髮生裝置和方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供冷原子束產生方法，包括以下步驟1.首先將真空室抽真空至真空度不低於10-7Pa；
2.加熱通過發蘭連接在真空室上的熱原子源，在真空室中形成原子蒸汽氣氛，熱原子蒸汽充滿真空室16，在真空室中形成相應的原子飽和蒸汽壓氣氛；3.在步驟2形成的原子蒸汽氣氛中，採用三維MOT對熱原子進行冷卻，冷卻到200μk以下，並被捕獲形成冷原子云團；4.利用本發明提供的不對稱的三維磁光阱中一雷射束方向上安置有開小孔的四分之一波片反射鏡，而使得在該方向上雷射輻射壓力不平衡，使冷原子沿此方向出射；在冷原子束出射方向上，還置有載有電流方向相反的四根成錐形排列的直導線，從而原子出射時將在磁場的作用下，不會沿橫向膨脹而向前射出；這樣，便得到了出射速度低的、通量較大的、橫向速度非常小的連續冷原子束；5.同時，在冷原子束的出射方向上，設置有與原子束垂直的雷射束，用於原子束的態製備，實現態一致的出射冷原子束。這裡所涉及的雷射束均由同一雷射器輸出，然後經分光並經聲光調製器調製後獲得。
本發明提供的冷原子束產生裝置，包括真空室和設置在真空室外和內的光路系統；其中真空室16上設置有石英玻璃窗14、17、18、19、21、22、23、26、27、30，石英玻璃窗17與石英玻璃窗22相對，石英玻璃窗26與石英玻璃窗30相對，並且這兩對石英玻璃窗相互正交；石英玻璃窗19與石英玻璃窗27相對，並與石英玻璃窗18正交；石英玻璃窗14、17、22、26、30用於形成三維MOT，石英玻璃窗18用於原子束的態製備，還包括石英玻璃窗21、23、19、27用作觀察窗或功能擴展窗；真空室16內壁上開有2個槽，槽內設有固定卡箍29和31，磁導引直導線12通過固定卡箍29和31安裝在真空室16內壁上，並形成錐形排列；而錐形磁導引直導線12的一端則從真空室16內通過接線柱15與外面的電源相連；另外，1/4波片反射鏡9置於真空室16內的1/4波片反射鏡固定卡箍28上。反亥姆霍茨線圈6套在真空室外，並且該反亥姆霍茨線圈6的中心處於真空室石英玻璃窗17與相對的22，和石英玻璃窗26與相對的30形成的正交中心重合的位置上。
所述的光路系統包括第一雷射器32輸出光的前方光路上設置有聲光調製器37、1/4波片36和擴束準直器35以及一分光鏡4，經分光後形成三束雷射，這三束雷射在空間相互正交；然後這三束雷射束經後分別通過石英玻璃窗14、石英玻璃窗17和石英玻璃窗26入射進真空室16，其中兩束雷射通過石英玻璃窗22和30出射後，再經與之垂直的一反射鏡38、41反射後分別形成兩對光束；而另外一束雷射，即水平方向上的那一束非平衡MOT雷射束10，經石英玻璃窗14沿真空室軸線入射入真空室16，並在前進方向上被與之垂直的中心帶有φ1-2mm小孔的1/4波片反射鏡9反射。這樣，形成了六束正交雷射束，其正交中心與石英玻璃窗17、22、26、30形成的正交中心重合。另外，由第二雷射器33發出的再泵浦雷射束34，通過一反射鏡合併入雷射器32產生的任一束雷射中，用於MOT冷卻原子的再泵浦雷射。於是，加上置於真空室外的反亥姆霍茨線圈6，共同形成了一三維MOT。另外，用於態製備的從第一個雷射器發出的雷射束13經石英玻璃窗入射。形成本發明的三維MOT的光路系統和態製備雷射束，除了雷射束34外，所有光束均由雷射器32提供。
在上述的技術方案中，還包括在真空室腔壁上通過法蘭設置用作觀察窗或功能擴展窗的石英玻璃窗21、23、19、27，其中石英玻璃窗17與22相對，石英玻璃窗26與30相對，並且這兩對相互正交。
在上述的技術方案中，為了改善光束頻率、偏振性質和光斑質量，還包括在分光鏡4前設置有聲光調製器37、1/4波片36和擴束準直器35，以及為了改變經分光鏡4後光的傳播方向，在傳播光路上根據需要設置與雷射束成45°的反射鏡3、3′、3″。
在上述的技術方案中，所述的四分之一波片反射鏡上所開的的小孔孔徑為φ1-2mm。
在上述的技術方案中，所述的卡箍29、31和28由陶瓷做成的，卡箍29和31的直徑可調，磁導引直導線12的一頭安裝在卡箍29，另一頭安裝在卡箍31上，並且卡箍29和卡箍31的直徑一大一小形成磁導引直導線12的錐形排列。
在上述的技術方案中，所述的磁導引直導線12至少為4根。
在上述的技術方案中，所述的法蘭均選用標準法蘭。
本發明提供的冷原子束的發生裝置的原子蒸汽室中，通過一個不對稱的三維MOT，對原子進行冷卻並被捕獲形成冷原子云團，原子云團在該三維MOT的某一對雷射束方向上放置帶有小孔(φ1-2mm)的四分之一波片反射鏡，因為小孔的存在使該方向上的對原子的雷射輻射壓力不平衡，從而把捕獲住的原子云團推射出形成冷原子束。冷原子束在出射過程中，在與小孔同軸線的方向上置有四根成錐形排列的直導線對出射原子束進行橫向壓縮導引，並最終用具有特殊頻率的雷射對出射過來的冷原子束進行態製備，從而可以獲得光學特性良好的連續冷原子束。本發明的冷原子束源所能達到的主要技術指標如下原子縱向速度＜30m/s，縱向速度分布＜5m/s，橫向速度＜10cm/s，原子束通量＞108/s數量級，整個冷原子束源系統的真空度不低於10-7Pa。該冷原子束光學特性良好，具有很強的相干性，能很好地應用於原子幹涉儀、原子鐘和原子頻標等諸多領域。
本發明的有益效果是，應用本發明的裝置可以獲得速度低、光學特性良好、通量較大、態一致連續的冷原子束，該原子束不僅能很好的應用於原子幹涉儀，還可在原子光學研究中獲得實際應用。該冷原子束髮生裝置結構合理、緊湊、性能穩定可靠。


圖1是本發明冷原子束髮生裝置的結構示意2是本發明冷原子束髮生裝置的原理示意3(a)是本發明冷原子束髮生裝置的真空室的主視3(b)是本發明冷原子束髮生裝置的真空室的俯視面說明1、熱原子源；2、熱原子蒸汽；3、3′、3″、反射鏡；4、分光鏡； 5、MOT雷射束； 6、反亥姆霍茨線圈；7、小孔；8、冷原子束； 9、1/4波片反射鏡；10、非平衡MOT雷射束；11、冷原子云團； 12、磁導引直導線；13、態製備雷射束； 14、石英玻璃窗； 15、接線柱；16、真空室； 17、石英玻璃窗； 18、石英玻璃窗；19、石英玻璃窗； 20、真空離子泵接口； 21、石英玻璃窗；22、石英玻璃窗； 23、石英玻璃窗； 24、熱Rb原子源接口；25、真空分子泵接口； 26、石英玻璃窗； 27、石英玻璃窗；28、1/4波片反射鏡固定卡箍； 29、錐形磁導引直導線固定卡箍；30、石英玻璃窗；31、錐形磁導引直導線固定卡箍；32、第一雷射器； 33、第二雷射器； 34、雷射束；35、擴束準直器； 36、1/4波片； 37、聲光調製器37；38、反射鏡； 40、1/4波片； 41、反射鏡；具體實施方式
實施例1
下面結合附圖和實施例進一步詳細說明本發明的冷原子束髮生裝置和方法。
參考圖3(a)和圖3(b)，製作一冷原子束產生裝置，包括真空室和光路系統。
採用不鏽鋼材料製成的真空室16上焊接有封裝了石英玻璃窗14、17、18、19、21、22、23、26、27、30的發蘭，其中石英玻璃窗17與22相對，石英玻璃窗26與30相對，而且這兩對石英玻璃窗相互正交設置在真空室16壁上；石英玻璃窗19與27相對，並與石英玻璃窗18正交。在真空室16內離左端面70mm、305mm和320mm位置處開有槽，每一個槽內安裝一陶瓷做成的卡箍29、31和28，卡箍29和31的直徑可調，磁導引直導線12的一頭安裝在卡箍29，另一頭安裝在卡箍31上，並且卡箍29和卡箍31的直徑一大一小形成磁導引直導線12的錐形排列；帶有孔徑為φ1-2mm小孔的1/4波片反射鏡9安放在陶瓷做成的卡箍28上。磁導引直導線12採用通常的真空導電材料製成的。磁導引直導線12的一端則從真空室內通過接線柱15與外面的電源相連。採用一常規的反亥姆霍茨線圈6套在真空室外，該反亥姆霍茨線圈6的中心同石英玻璃窗17與相對的22，和石英玻璃窗26與相對的30形成的正交中心重合。裝置中的所有法蘭均選用CF25或CF35標準法蘭。焊接在真空室上的石英玻璃窗19、21、23和27均為觀察窗口或功能擴展窗。
參考圖1和2，並結合圖3(a)、3(b)，冷原子束產生裝置的光路系統實現如下形成本發明的三維MOT的光路系統和態製備雷射束，除了雷射束34外，所有光束均由第一雷射器32提供，該第一雷射器32採用功率為400mW的半導體雷射器。三維MOT系統的光路如下雷射器32輸出光的前方光路上設置一分光鏡4，經分光後形成三束雷射，這三束雷射在空間相互正交。每束雷射前方根據需要設置與雷射束成一定角度(如30°、45°、60°等等，以改變雷射束傳播方向)的反射鏡3、3′、3″以改變傳播方向。然後這三束雷射束再從雷射器出來經分光鏡4分光前要首先通過經聲光調製器37、1/4波片36和擴束準直器35後通過石英玻璃窗14、17和26入射進真空室，其中兩束通過石英玻璃窗22和30出射後，再經與之垂直的反射鏡38、41沿出射方向反射；而另外一束，即水平方向上的那一束非平衡MOT雷射束10，經石英玻璃窗14沿真空室軸線入射入真空室，並在前進方向上被與之垂直的1/4波片反射鏡9反射。這樣，形成了六束正交雷射束，其正交中心與石英玻璃窗17、22、26、30形成的正交中心重合。另外，由第二個小功率半導體雷射器33(功率為100mW)發出的再泵浦雷射束34合併入雷射器32產生的一束雷射中，用於MOT冷卻原子的再泵浦雷射。於是，加上置於真空室外的反亥姆霍茨線圈6，共同形成一三維MOT。另外，用於態製備的雷射束同樣由第一個雷射器發出，所輸出的雷射束13經石英玻璃窗18入射。
實施例2下面在實施例1的裝置上，和以熱原子源為銣(Rb)原子，進一步詳細說明本發明冷原子束產生的方法。
參考圖1，由熱Rb原子源1產生的熱Rb原子蒸汽2首先充滿真空室16，在真空室中形成Rb原子的飽和蒸汽壓氣氛。然後在一實施例1的裝置上進行，實施例1的三維MOT的作用下熱Rb原子氣氛中的原子被冷卻並被捕獲形成冷原子云團11。該三維MOT採用下述方式形成由雷射器發出的雷射束經分光鏡4分光後，分別形成三束正交的、功率大小相等的雷射束；其中一束雷射經1/4波片轉換成圓偏振雷射束5，若此雷射束為σ+，則在前進方向上再經1/4波片和反射鏡後與雷射束5形成三維MOT的一對雷射，另一對與此相同；三對三維MOT雷射束中水平方向上的為非平衡雷射束10，該雷射束通過在1/4波片反射鏡上開有小孔7從而獲得。這樣，這三對相互正交的雷射束和合併入某束雷射束的再泵浦雷射束以及反亥姆霍茨線圈6形成一本發明的三維MOT。由於非平衡雷射束10的作用，使得冷原子云團11受到不平衡光場輻射壓力的作用，而把冷原子云團的部分原子沿水平方向從小孔7推射出去，形成一冷原子束8。
下面結合附圖進一步說明冷原子束產生方法的實施原理。如圖2，形成的冷原子束在前進過程中的這段距離內，採用錐形磁導引直導線12形成的四極磁場對原子束進行橫向壓縮和導引。經磁壓縮導引後從小孔7出射的冷原子束，再經過與冷原子束垂直的態製備雷射束13作用後完成冷原子束的態製備。於是，便獲得了低縱向速度(這裡為沿水平方向)和縱向速度分布、很小橫向速度、通量較大、態一致的連續冷原子束。以Rb原子為例，某次實驗得到的冷原子束指標如下縱向速度為24.5m/s，縱向速度分布為5.5m/s，橫向速度為8cm/s，原子束通量為1.01×109/s，原子束中處於52S1/2(F＝1)態的原子佔93％。
權利要求
1.一種冷原子束產生裝置，包括真空室，和設置在真空室內和外的、由雷射器，分光鏡，反射鏡和1/4波片反射鏡組成的光路系統；其中真空室16上設置有石英玻璃窗(14)、(17)、(18)、(19)、(21)、(22)、(23)、(26)、(27)、(30)，石英玻璃窗(17)與石英玻璃窗(22)相對，石英玻璃窗(26)與石英玻璃窗(30)相對，並且這兩對石英玻璃窗相互正交；石英玻璃窗(19)與石英玻璃窗(27)相對，並與石英玻璃窗(18)正交；其特徵在於真空室(16)內壁上開有2個槽，槽內設有固定卡箍(29)和(31)，磁導引直導線(12)通過固定卡箍(29)和(31)安裝在真空室(16)內壁上，並形成錐形排列；其中磁導引直導線(12)的一端通過真空室壁上的接線柱(15)，從真空室(16)穿出與外面的電源相連；另外，1/4波片反射鏡(9)置於真空室(16)內的固定卡箍(28)上；反亥姆霍茨線圈(6)套在真空室外，該反亥姆霍茨線圈(6)的中心處於真空室石英玻璃窗(17)與相對的(22)，和石英玻璃窗(26)與相對的(30)形成的正交中心重合的位置上；所述的光路系統包括第一雷射器32輸出光的前方光路上設置一分光鏡(4)，經分光後形成三束雷射，該三束雷射在空間相互正交；然後這三束雷射束經聲光調製器(37)、1/4波片(36)和擴束準直器(35)後分別通過石英玻璃窗(14)、石英玻璃窗(17)和石英玻璃窗(26)入射進真空室(16)，其中兩束雷射通過石英玻璃窗(22)和(30)出射後，再經與之垂直的一反射鏡(38)、(41)反射；另一束水平方向上的非平衡MOT雷射束(10)，經石英玻璃窗14沿真空室軸線入射進入真空室(16)，並在前進方向上被與之垂直的中心帶有φ1-2mm小孔的1/4波片反射鏡(9)反射，這樣便形成了六束正交雷射束，其正交中心與石英玻璃窗(17)、(22)、(26)、(30)形成的正交中心重合；另外，第二雷射器(33)發出的再泵浦雷射束(34)，通過一反射鏡合併入雷射器(32)產生的任一束雷射中，用於MOT冷卻原子的再泵浦雷射；同時，由第一雷射器還要引出態製備雷射束(13)。
2.按權利要求1所述的冷原子束產生裝置，其特徵在於還包括在真空室腔壁上通過法蘭設置用作觀察窗或功能擴展窗的石英玻璃窗(21)、(23)、(19)、(27)，其中石英玻璃窗(17)與(22)相對，石英玻璃窗(26)與(30)相對，並且這兩對相互正交。
3.按權利要求1所述的冷原子束產生裝置，其特徵在於還包括在分光後的每束雷射的光路上根據需要設置與雷射束成45°的反射鏡3、3′、3″。
4.按權利要求1所述的冷原子束產生裝置，其特徵在於所述的四分之一波片反射鏡上所開的的小孔孔徑為φ1-2mm。
5.按權利要求1所述的冷原子束產生裝置，其特徵在於所述的卡箍(29)、(31)和(28)由陶瓷做成的，卡箍(29)和(31)的直徑可調，磁導引直導線(12)的一頭安裝在卡箍(29)，另一頭安裝在卡箍(31)上，並且卡箍(29)和卡箍(31)的直徑一大一小形成磁導引直導線(12)的錐形排列。
6.按權利要求1所述的冷原子束產生裝置，其特徵在於所述的磁導引直導線(12)至少為4根。
7.按權利要求1所述的冷原子束產生裝置，其特徵在於所述的法蘭均選用標準法蘭。
8.一種應用權利要求1所述的冷原子束產生裝置進行冷原子束產生的方法，包括以下步驟1)首先將真空室抽真空至真空度不低於10-7Pa；2)加熱真空室內的熱原子源，在真空室中形成原子蒸汽氣氛，形成相應的原子飽和蒸汽壓氣氛；3)在步驟2)形成的原子蒸汽氣氛中，採用三維MOT對熱原子進行冷卻，冷卻到200μk以下，並被捕獲形成冷原子云團；4)利用三維MOT中一雷射束方向上置有開有小孔的四分之一波片反射鏡，而使得在該方向上雷射輻射壓力不平衡使冷原子沿此方向出射；在冷原子束出射方向上，還置有載有電流方向彼此相反的四根成錐形排列的直導線，原子出射時將在磁場的作用不會沿橫向膨脹而向前射出；便得到了出射速度低的、通量較大的、橫向速度非常小的連續冷原子束；5)同時，在冷原子束的出射方向上，設置有與原子束垂直的另一雷射器輸出的雷射束，用於原子束的態製備，實現態一致的出射冷原子束。
全文摘要
本發明涉及一種冷原子束產生方法和裝置，該方法包括在抽真空的真空室內，加熱熱原子源，在真空室中形成相應的原子飽和蒸汽壓氣氛；採用三維MOT對熱原子進行冷卻，冷卻到200μk以下，並被捕獲形成冷原子云團；通過三維MOT中開小孔的四分之一波片反射鏡，而使得在該方向上雷射輻射壓力不平衡，使冷原子沿此方向出射；在冷原子束出射方向上，還置有載有彼此電流方向相反的四根成錐形排列的直導線，從而原子出射時將在磁場的作用下，不會沿橫向膨脹而向前射出；便得到了出射速度低的、通量較大的、橫向速度非常小的連續冷原子束；同時在冷原子束的出射方向上，設置有與原子束垂直的雷射束，用於原子束的態製備，實現態一致的出射冷原子束。
文檔編號H05H3/00GK1784109SQ20041009660
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月2日 優先權日2004年12月2日
發明者周兆英, 唐興倫, 朱榮, 馮焱穎, 楊興 申請人:清華大學