專利名稱：一種原子芯片用原子束發(fā)生方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種原子芯片用原子束制備、運(yùn)輸和加載裝置，特別是一種為原子芯片提供和加載最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)、縱向速度低且分布均勻、橫向速度幾乎為零、密度高的原子束的發(fā)生方法及其裝置。
背景技術(shù)：
目前，在原子芯片中采用的原子束發(fā)生方法主要有兩種熱原子束和超冷原子束(即玻色-愛因斯坦凝聚體)。熱原子束一般是直接對(duì)原子源進(jìn)行加熱，形成原子蒸汽束從噴口中噴出，利用和原子蒸汽束速度方向相對(duì)的一束激光對(duì)其進(jìn)行減速，然后通過鏡面磁光阱(Mirror MOT)加載到芯片表面，如文獻(xiàn)1J.Denschlag，D.Cassettari，A.Chenetl，S.Schneider，J.Schmiedmayer，Appl.Phys.B，1999，69291-301中所記載。雖然這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是由于從噴口噴出的原子束各向速度相對(duì)較高、且分布不均勻；而且各種原子混雜在一起，鏡面磁光阱很難捕獲到足夠數(shù)量和密度的原子，從而限制了磁阱的囚禁效率。
超冷原子束，即玻色-愛因斯坦凝聚體，一般先要制備玻色-愛因斯坦凝聚體，然后利用鏡面磁光阱加載到芯片表面，如文獻(xiàn)2Peter D.D.Schwindt，Ph.D thesis，JILA，University of Colorado，2003中所記載的由錐形鏡腔、蒸汽室和應(yīng)用腔組成。雖然這種方法制備的玻色-愛因斯坦凝聚體原子源具有單一性好、速度分布均勻等特點(diǎn)，但是制備玻色-愛因斯坦凝聚體需要多級(jí)磁光阱，系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，真空度要求較高，并且不能很好地實(shí)現(xiàn)原子束的絕熱運(yùn)輸和芯片加載，超冷原子在磁光阱之間傳輸時(shí)有發(fā)散和飛濺損失，降低了系統(tǒng)效率。
由于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的芯片磁阱可控制的原子的密度較低，而芯片磁阱囚禁能力有一定的限制，因此希望能夠在芯片表面獲得最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)、縱向速度低且分布均勻、橫向速度很低、密度高的原子束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?yàn)樵有酒峁┳顑?yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)、縱向速度低且分布均勻、橫向速度幾乎為零、密度高的原子束，可應(yīng)用于原子在芯片上導(dǎo)引、分波、干涉、原子鐘以及玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)研究的原子束發(fā)生裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種原子芯片用原子束發(fā)生裝置，包括真空室、原子源、二維微調(diào)臺(tái)和內(nèi)外光路系統(tǒng)；如圖2所示，原子源32通過閥門和真空室相連；二維微調(diào)臺(tái)33通過波紋管真空室的內(nèi)外真空隔離，二維微調(diào)臺(tái)33上安裝一調(diào)節(jié)原子芯片位置的芯片臺(tái)29；其中內(nèi)外光路系統(tǒng)包括第一激光器、聲光調(diào)制器、分光鏡、反射鏡、1/4波片和直角棱鏡；第一激光器輸出的用于冷卻原子的冷卻激光經(jīng)過分光鏡和反射鏡進(jìn)入聲光調(diào)制器，再通過真空室的玻璃窗進(jìn)入真空室；如圖1所示，入射到真空室內(nèi)的用于冷卻原子的冷卻激光1、2、13、15、18、19和第二對(duì)反赫姆赫茲線圈14構(gòu)成的三維磁光阱，該三維磁光阱對(duì)熱原子源噴口噴出的原子源蒸汽束17進(jìn)行捕獲和冷卻，其中冷卻激光15是冷卻激光1經(jīng)過位于真空室外的一1/4波片和一反射鏡得到的反射激光，冷卻激光18是冷卻激光2經(jīng)過位于真空室外的一1/4波片和一反射鏡得到的反射激光；由冷卻激光5、9、8、12、芯片鏡面11和第一對(duì)反赫姆赫茲線圈6共同形成鏡面磁光阱；其特征在于，所述內(nèi)外光路系統(tǒng)中包括第二激光器，第二激光器發(fā)出再泵浦激光經(jīng)過聲光調(diào)制器、分光鏡和反射鏡通過真空室的玻璃窗進(jìn)入真空室；還包括在所述真空室內(nèi)安裝有中心帶有孔的1/4波片反射鏡組4和直導(dǎo)線組3，該1/4波片反射鏡組4通過位于真空室中部的第三卡箍27固定在真空室內(nèi)，所述直導(dǎo)線組3由N根直導(dǎo)線，并直導(dǎo)線兩端安裝在真空室內(nèi)壁中部對(duì)稱設(shè)置的第一卡箍23和第二卡箍25上固定而組成，N根直導(dǎo)線相互平行，相鄰導(dǎo)線的電流方向互相反向；還包括第一磁鐵7和第二磁鐵20設(shè)置在真空室外垂直于縱向軸線方向平行放置；所述三維磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光16和再泵浦激光1’、2’、13’、15’、18’、19’將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，其中與光學(xué)泵浦激光16共線且方向相對(duì)的激光是光學(xué)泵浦激光16經(jīng)過位于真空室外的一直角棱鏡的反射激光；在鏡面磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光10和再泵浦激光5’、8’、9’、12’對(duì)原子云團(tuán)進(jìn)行作用，將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，其中與光學(xué)泵浦激光10共線且方向相對(duì)的激光是光學(xué)泵浦激光10經(jīng)過位于真空室外的一直角棱鏡的反射激光。
所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置，如圖3所示，還包括一用于檢測(cè)原子芯片捕獲原子情況的第一反射鏡52、第八反射鏡74、第九反射鏡75和第三聲光調(diào)制器55，設(shè)置在第一激光器的光路上產(chǎn)生成像激光進(jìn)入鏡面磁光阱。
所述直導(dǎo)線組3包括N根直導(dǎo)線，其中N為大于或等于4的偶數(shù)。
所述中心帶有孔的1/4波片反射鏡組4是由1/4波片A、反射鏡A、反射鏡B、1/4波片B(圖中未示出)順序粘接在一起構(gòu)成，其中心小孔直徑為0.5～1mm。
所述第一磁鐵7和第二磁鐵20為永久磁鐵或磁場(chǎng)線圈。
一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置進(jìn)行產(chǎn)生原子束的方法，包括以下步驟1).首先將真空室抽至真空度優(yōu)于6×10-8Pa；2).加熱真空室內(nèi)的原子源32，打開閥門，原子蒸汽噴出，使真空室內(nèi)形成飽和濃度的原子蒸汽；3).采用三維磁光阱對(duì)熱原子進(jìn)行捕獲和冷卻，冷卻到200μk以下，形成冷原子云團(tuán)，同時(shí)利用光學(xué)泵浦激光16和再泵浦激光1’、2’、13’、15’、18’、19’將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上；4).利用和原子束出射方向平行的電流方向相反的N根直導(dǎo)線組3形成管狀磁阱，使原子團(tuán)出射時(shí)受到磁阱的橫向囚禁，不會(huì)橫向膨脹而發(fā)散；安置在真空室外的垂直與縱向軸線的平行相對(duì)的第一磁鐵7和第二磁鐵20在縱向上形成均勻的磁場(chǎng)，使原子在運(yùn)輸過程中拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率大于磁阱的捕獲頻率，保證原子的態(tài)不發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)絕熱傳輸；5).利用激光縱向輻射壓力不平衡，將原子云團(tuán)從1/4波片反射鏡組4中心的小孔推出；利用與原子束相對(duì)的冷卻激光8、再泵浦激光8’對(duì)原子束進(jìn)行減速；6).原子云團(tuán)通過1/4波片反射鏡組4的小孔后，采用鏡面磁光阱對(duì)原子進(jìn)行冷卻并捕獲到芯片表面11上，同時(shí)利用光學(xué)泵浦激光10和再泵普激光5’、8’、9’對(duì)原子云團(tuán)進(jìn)行作用，將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，形成高密度原子束。
本發(fā)明提供的原子芯片用原子束的發(fā)生方法與裝置的優(yōu)點(diǎn)在于1.真空度要求相對(duì)較低，優(yōu)于6×10-8Pa即可。
2.真空室實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，整體尺寸小于30cm×20cm×25cm。
3.磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光和三維再泵浦激光，使進(jìn)入磁阱的原子密度增大、具有最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)，使磁阱對(duì)原子的操縱更加容易。
4.利用載流直導(dǎo)線形成的管狀磁阱保證了原子束在運(yùn)輸過程中不會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)散。
5.利用兩磁體形成的縱向均勻弱磁場(chǎng)，保證原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率大于磁場(chǎng)的變化頻率，實(shí)現(xiàn)了原子的絕熱運(yùn)輸。
6.鏡面磁光阱中利用原子束縱向速度方向上的相反方向的冷卻激光8和再泵浦激光8’實(shí)現(xiàn)了原子束的減速。
7.利用鏡面磁光阱實(shí)現(xiàn)原子的進(jìn)一步冷卻和芯片加載。
8.進(jìn)入芯片磁阱的原子經(jīng)過兩級(jí)磁光阱的作用，橫向速度更小，速度分布更加均勻。


圖1芯片冷原子束制備、運(yùn)輸和芯片加載系統(tǒng)原理圖；圖2為該裝置的正視剖面圖；圖2(a)為圖2中A-A位置的剖面圖；圖2(b)為該裝置的俯視圖；圖2(c)為圖2(b)中C-C位置的剖面圖；圖2(d)為圖2中B-B位置的剖面圖；圖3內(nèi)外光路系統(tǒng)圖。
圖面說明圖1中1表示σ-冷卻激光從第七玻璃窗40進(jìn)入磁光阱；1’表示再泵浦激光從第七玻璃窗40進(jìn)入磁光阱；2表示σ-冷卻激光從第九玻璃窗42進(jìn)入磁光阱；2’表示再泵浦激光從第九玻璃窗42進(jìn)入磁光阱；3表示直導(dǎo)線組；4表示1/4波片反射鏡組；5表示σ+冷卻激光從第三玻璃窗34進(jìn)入磁光阱；5’表示再泵浦激光從第三玻璃窗34進(jìn)入磁光阱；6表示第一對(duì)反赫姆赫茲線圈；7表示第一磁鐵；8表示σ+冷卻激光從第二玻璃窗30進(jìn)入磁光阱；8’表示再泵浦激光從第二玻璃窗30進(jìn)入磁光阱；9表示σ-冷卻激光從第四玻璃窗35進(jìn)入磁光阱；9’表示再泵浦激光從第四玻璃窗35進(jìn)入磁光阱；10表示光學(xué)泵浦激光從第五玻璃窗36進(jìn)入磁光阱；11表示芯片鏡面；12表示σ-冷卻激光進(jìn)入磁光阱，是冷卻激光8的反射光；
12’表示再泵浦激光進(jìn)入磁光阱，是再泵浦激光8’反射光；13表示σ-冷卻激光進(jìn)入磁光阱，是冷卻激光19的反射光；13’表示再泵浦激光進(jìn)入磁光阱；是再泵浦激光19’的反射光14表示第二對(duì)反赫姆赫茲線圈；15表示σ+冷卻激光從第十一玻璃窗44進(jìn)入磁光阱；15’表示再泵浦激光從第十一玻璃窗44進(jìn)入磁光阱；16表示光學(xué)泵浦激光從第十玻璃窗43進(jìn)入磁光阱；17表示原子源蒸汽束；18表示σ+冷卻激光從第十四玻璃窗47進(jìn)入磁光阱；18’表示再泵浦激光從第十四玻璃窗47進(jìn)入磁光阱；19表示σ+冷卻激光從第一玻璃窗21進(jìn)入磁光阱；19’表示再泵浦激光從第一玻璃窗21進(jìn)入磁光阱；20表示第二磁鐵；圖2中21表示第一玻璃窗； 22表示真空計(jì)； 23表示第一卡箍；25表示第二卡箍； 27表示第三卡箍；28表示檢測(cè)窗；29表示芯片臺(tái)； 30表示第二玻璃窗； 31表示導(dǎo)線接線柱法蘭；32表示原子源； 33表示二維微動(dòng)臺(tái)； 34表示第三玻璃窗；35表示第四玻璃窗； 36表示第五玻璃窗； 37表示第六玻璃窗；38表示第一外接真空泵法蘭； 39表示第二外接真空泵法蘭；40表示第七玻璃窗； 41表示第八玻璃窗； 42表示第九玻璃窗；43表示第十玻璃窗； 44表示第十一玻璃窗；45表示第十二玻璃窗；46表示第十三玻璃窗； 47表示第十四玻璃窗；圖3中48表示主激光器； 49表示第一分光鏡；50表示第二分光鏡；51表示第三分光鏡；52表示第一反射鏡；53表示第一聲光調(diào)制器；54表示第二聲光調(diào)制器；55表示第三聲光調(diào)制器；56表示再泵浦激光器；57表示第四聲光調(diào)制器；58表示第四分光鏡；59表示第五聲光調(diào)制器；60表示第二反射鏡；61表示第五分光鏡；62表示第六分光鏡；63表示三維磁光阱；64表示第一1/4波片； 65表示第三反射鏡；66表示第一直角棱鏡； 67表示第四反射鏡；68表示第二1/4波片；69表示第五反射鏡；70表示第六反射鏡；71表示第七反射鏡；
72表示鏡面磁光阱； 73表示第二直角棱鏡； 74表示第八反射鏡；75表示第九反射鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本發(fā)明提供的原子芯片用原子束發(fā)生裝置，包括原子源、真空室、二維微調(diào)臺(tái)、磁鐵(永久磁鐵或磁場(chǎng)線圈)和內(nèi)外光路系統(tǒng)。
如圖1所示，冷卻激光1、2、13、15、18、19和第二對(duì)反赫姆赫茲線圈14構(gòu)成的三維磁光阱對(duì)熱原子源噴口噴出的原子源蒸汽束17進(jìn)行捕獲和冷卻，其中冷卻激光15是冷卻激光1經(jīng)過位于真空室外的一1/4波片和一反射鏡(圖1中未示出)得到的反射冷卻激光，冷卻激光18是冷卻激光2經(jīng)過位于真空室外的一1/4波片和一反射鏡(圖1中未示出)得到的反射冷卻激光；由冷卻激光5、9、8、12、芯片鏡面11和第一對(duì)反赫姆赫茲線圈6共同形成鏡面磁光阱；原子束在鏡面磁光阱中被捕獲到芯片表面并進(jìn)一步冷卻；在三維磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光16和再泵浦激光1’、2’、13’、15’、18’、19’將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，其中與光學(xué)泵浦激光16共線且方向相對(duì)的激光是光學(xué)泵浦激光16經(jīng)過位于真空室外的一直角棱鏡(圖1中未示出)的反射激光；在鏡面磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光10和再泵浦激光5’、8’、9’對(duì)原子云團(tuán)進(jìn)行作用，將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，其中與光學(xué)泵浦激光10共線且方向相對(duì)的激光是光學(xué)泵浦激光10經(jīng)過位于真空室外的一直角棱鏡(圖1中未示出)的反射激光；第一磁鐵7(磁場(chǎng)線圈或永久磁鐵)和第二磁鐵20(磁場(chǎng)線圈或永久磁鐵)設(shè)置在真空室外垂直于縱向軸線方向平行放置，用于在原子束的傳輸方向上產(chǎn)生勻強(qiáng)的弱磁場(chǎng)，保證原子的態(tài)不發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)絕熱傳輸。
真空室結(jié)構(gòu)如圖2所示，真空室上設(shè)有第一玻璃窗21、檢測(cè)窗28、第二玻璃窗30、第三玻璃窗34、第四玻璃窗35、第五玻璃窗36、第六玻璃窗37、第七玻璃窗40、第八玻璃窗41、第九玻璃窗42、第十玻璃窗43、第十一玻璃窗44、第十二玻璃窗45、第十三玻璃窗46、第十四玻璃窗47，其中第七玻璃窗40和第十一玻璃窗44、第八玻璃窗41和第十三玻璃窗46、第九玻璃窗42和第十四玻璃窗47、第十玻璃窗43和第十二玻璃窗45兩兩相對(duì)，如圖1所示，選兩對(duì)相互垂直的玻璃窗用于磁光阱冷卻激光1、2、15、18和再泵浦激光1’、2’、15’、18’的光窗，其余的兩對(duì)光窗可任選一對(duì)作為光學(xué)泵浦激光16的光窗，剩下的一對(duì)光窗用于觀察和檢測(cè)窗。第五玻璃窗36和第六玻璃窗37也相對(duì)設(shè)置用于光學(xué)泵浦激光10光窗。第三玻璃窗34和第四玻璃窗35相互垂直用于鏡面磁光阱冷卻激光5、9和再泵浦激光5’、9’的光窗。第一玻璃窗21用于磁光阱冷卻激光19和再泵浦激光19’的光窗。檢測(cè)窗28用于檢測(cè)。第二玻璃窗30用于檢測(cè)光窗，同時(shí)作為鏡面磁光阱冷卻激光8、再泵浦激光8’的光窗。真空計(jì)22用于測(cè)量真空室內(nèi)的真空度；法蘭38、39用于安裝真空泵。
真空室內(nèi)安裝有1/4波片反射鏡組4和直導(dǎo)線組3，所述1/4波片反射鏡組4是由一1/4波片、一反射鏡、一反射鏡、一1/4波片順序粘接在一起構(gòu)成，中心帶直徑為0.5～1mm的小孔，該鏡組通過位于真空室中部的第三卡箍27固定在真空室內(nèi)，用于產(chǎn)生圖1中冷卻激光19、再泵浦激光19’的反射激光13、13’和鏡面磁光阱冷卻激光8、再泵浦激光8’的反射激光8’、12’，在縱向形成激光輻射壓力不平衡將原子云團(tuán)推出1/4波片反射鏡組4中心的小孔；直導(dǎo)線組3由多根(大于或等于4的偶數(shù)根)直導(dǎo)線組成，通過位于真空室中部對(duì)稱放置的第一卡箍23和第二卡箍25安裝在真空室內(nèi)壁，直導(dǎo)線相互平行且關(guān)于縱向軸線對(duì)稱放置，導(dǎo)線的電流方向互相反向，用于產(chǎn)生管狀磁阱，保證原子束在兩個(gè)磁光阱之間傳輸過程中不發(fā)散；原子源32通過閥門和真空室相連，經(jīng)過加熱可以產(chǎn)生原子蒸汽束(即圖1中原子蒸汽束17)。原子源一般采用熔點(diǎn)低的堿金屬元素，如天然銣，銫等。一般封裝在一個(gè)密封的玻璃泡內(nèi)，使用時(shí)需要打碎玻璃泡，然后通過加熱產(chǎn)生蒸汽，噴入真空室。
二維微調(diào)臺(tái)33通過波紋管實(shí)現(xiàn)真空室的內(nèi)外真空隔離，其上是安裝芯片組件的芯片臺(tái)29。
內(nèi)外光路系統(tǒng)，如圖3所示，由兩個(gè)激光器組成主激光器48和再泵浦激光器56，主激光器48用于產(chǎn)生冷卻激光、光學(xué)泵浦激光和成像激光，再泵浦激光器56用于產(chǎn)生再泵浦激光。主激光器48發(fā)出的冷卻激光經(jīng)過第一分光鏡49、第二分光鏡50、第三分光鏡51和第一反射鏡52分別進(jìn)入第一聲光調(diào)制器53、第四分光鏡58、第二聲光調(diào)制器54、第三聲光調(diào)制器55；由第四分光鏡58出來的冷卻激光與由再泵浦激光器56發(fā)出的經(jīng)過第四聲光調(diào)制器57出來的再泵浦激光合成為一束激光再通過第五聲光調(diào)制器59，經(jīng)過第六分光鏡62分為兩束激光，一束即為圖1中的冷卻激光2進(jìn)入三維磁光阱63，另一束經(jīng)第七反射鏡71反射后，即為圖1中的冷卻激光5進(jìn)入鏡面磁光阱72；從第二聲光調(diào)制器54出來的光學(xué)泵浦激光通過第五分光鏡61分為兩束激光，一束經(jīng)第二反射鏡60即為圖1中的光學(xué)泵浦激光16進(jìn)入三維磁光阱63，另一束經(jīng)第六反射鏡70、第四反射鏡67反射后，即為圖1中的光學(xué)泵浦激光10進(jìn)入鏡面磁光阱72；從第三聲光調(diào)制器55出來的成像激光經(jīng)第九反射鏡75、第八反射鏡74反射進(jìn)入鏡面磁光阱72，用于檢測(cè)原子芯片對(duì)原子的捕獲情況；第一直角棱鏡66、第二直角棱鏡73用于反射激光，保證反射的激光相位和入射激光一致；第一1/4波片64、第二1/4波片68和第三反射鏡65、第五反射鏡69兩兩組合用來將冷卻激光從左旋圓偏振光(通常用σ+表示)變?yōu)橛倚龍A偏振光(通常用σ-表示)；第一聲光調(diào)制器53用來鎖定主激光器48的頻率，第二聲光調(diào)制器54、第三聲光調(diào)制器55、第四聲光調(diào)制器57、第五聲光調(diào)制器59用來調(diào)制激光到所需頻率；另外，圖1表示的是三維空間中激光束的分布，這些激光束不能在圖3中都表示出來，其中冷卻激光1、15、13、19、9、8、12、再泵浦激光1’、15’、13’、19’、9’、8’、12’沒有在圖3中表示出來，它們按照上述的方法進(jìn)入磁光阱。
本專利提供的原子芯片用原子束發(fā)生裝置實(shí)施過程如下1.首先將真空室抽至真空度優(yōu)于6×10-8Pa；2.加熱真空室內(nèi)的原子源32，打開閥門，原子蒸汽噴出，使真空室內(nèi)形成飽和濃度的原子蒸汽；3.采用三維磁光阱對(duì)熱原子進(jìn)行捕獲和冷卻，冷卻到200μk以下，形成冷原子云團(tuán)，同時(shí)利用光學(xué)泵浦激光16和再泵浦激光1’、2’、13’、15’、18’、19’將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上；4.利用和原子束出射方向平行的電流方向相反的N根直導(dǎo)線組3形成管狀磁阱，使原子團(tuán)出射時(shí)受到磁阱的橫向囚禁，不會(huì)橫向膨脹而發(fā)散；安置在真空室外的垂直與縱向軸線的平行相對(duì)的第一磁鐵7和第二磁鐵20在縱向上形成均勻的磁場(chǎng)，使原子在運(yùn)輸過程中拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率大于磁阱的捕獲頻率，保證原子的態(tài)不發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)絕熱傳輸；5.利用激光縱向輻射壓力不平衡，將原子云團(tuán)從1/4波片反射鏡組4中心的小孔推出；利用與原子束相對(duì)的冷卻激光8、再泵浦激光8’對(duì)原子束進(jìn)行減速；6.原子云團(tuán)通過1/4波片反射鏡組4的小孔后，采用鏡面磁光阱對(duì)原子進(jìn)行冷卻并捕獲到芯片表面11上，同時(shí)利用光學(xué)泵浦激光10和再泵浦激光5’、8’、9’對(duì)原子云團(tuán)進(jìn)行作用，將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，形成高密度原子束。
本發(fā)明的裝置產(chǎn)生的原子芯片用原子束的縱向速度≤20米/秒，橫向速度≤0.05米/秒，原子束密度高于現(xiàn)有裝置。
權(quán)利要求
1.一種原子芯片用原子束發(fā)生裝置，包括真空室、原子源、二維微調(diào)臺(tái)和內(nèi)外光路系統(tǒng)；原子源(32)通過閥門和真空室相連；二維微調(diào)臺(tái)(33)通過波紋管將真空室的內(nèi)外隔離，二維微調(diào)臺(tái)(33)上安裝一調(diào)節(jié)原子芯片位置的芯片臺(tái)(29)；其中內(nèi)外光路系統(tǒng)包括第一激光器、聲光調(diào)制器、分光鏡、反射鏡、1/4波片和直角棱鏡；第一激光器輸出的用于冷卻原子的冷卻激光，經(jīng)過分光鏡和反射鏡進(jìn)入聲光調(diào)制器，再通過真空室的玻璃窗進(jìn)入真空室；入射到真空室內(nèi)的用于冷卻原子的冷卻激光(1)、(2)、(13)、(15)、(18)、(19)和第二對(duì)反赫姆赫茲線圈(14)構(gòu)成三維磁光阱，該三維磁光阱對(duì)熱原子源噴口噴出的原子源蒸汽束(17)進(jìn)行捕獲和冷卻，其中冷卻激光(15)是冷卻激光(1)經(jīng)過位于真空室外的一1/4波片和一反射鏡得到的反射激光，冷卻激光(18)是冷卻激光(2)經(jīng)過位于真空室外的一1/4波片和一反射鏡得到的反射激光；由冷卻激光(5)、(9)、(8)、(12)、芯片鏡面(11)和第一對(duì)反赫姆赫茲線圈(6)共同形成鏡面磁光阱；其特征在于，所述內(nèi)外光路系統(tǒng)中包括第二激光器，第二激光器發(fā)出再泵浦激光，經(jīng)過聲光調(diào)制器、分光鏡和反射鏡通過真空室的玻璃窗進(jìn)入真空室；還包括在所述真空室內(nèi)安裝有中心帶有孔的1/4波片反射鏡組(4)和直導(dǎo)線組(3)，該1/4波片反射鏡組(4)通過位于真空室中部的第三卡箍(27)固定在真空室內(nèi)，所述直導(dǎo)線組(3)由N根直導(dǎo)線，并直導(dǎo)線兩端安裝在真空室內(nèi)壁中部對(duì)稱設(shè)置的第一卡箍(23)和第二卡箍(25)上固定而組成，N根直導(dǎo)線相互平行，相鄰導(dǎo)線的電流方向互相反向；還包括第一磁鐵(7)和第二磁鐵(20)設(shè)置在真空室外垂直于縱向軸線方向平行放置；所述三維磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光(16)和再泵浦激光(1’)、(2’)、(13’)、(15’)、(18’)、(19’)將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，其中與光學(xué)泵浦激光(16)共線且方向相對(duì)的激光是光學(xué)泵浦激光(16)經(jīng)過位于真空室外的一直角棱鏡的反射激光；在鏡面磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光(10)和再泵浦激光(5’)、(8’)、(9’)、(12’)對(duì)原子云團(tuán)進(jìn)行作用，將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，其中與光學(xué)泵浦激光(10)共線且方向相對(duì)的激光是光學(xué)泵浦激光(10)經(jīng)過位于真空室外的一直角棱鏡的反射激光。
2.按權(quán)利要求1所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置，其特征在于，還包括一用于檢測(cè)原子芯片捕獲原子情況的第一反射鏡(52)、第八反射鏡(74)、第九反射鏡(75)和第三聲光調(diào)制器(55)，設(shè)置在第一激光器的光路上產(chǎn)生成像激光進(jìn)入鏡面磁光阱。
3.按權(quán)利要求1或2所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置，其特征在于，所述的N根直導(dǎo)線，其中N為大于或等于4的偶數(shù)。
4.按權(quán)利要求1或2所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置，其特征在于，所述中心帶有孔的1/4波片反射鏡組4是由1/4波片(A)、反射鏡(A)、反射鏡(B)、1/4波片(B)順序粘接在一起構(gòu)成，其中心小孔直徑為0.5～1mm。
5.按權(quán)利要求1或2所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置，其特征在于，所述第一磁鐵(7)和第二磁鐵(20)為永久磁鐵或磁場(chǎng)線圈。
6.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的原子芯片用原子束發(fā)生裝置進(jìn)行產(chǎn)生原子束的方法，其特征在于，包括以下步驟1).首先將真空室抽至真空度優(yōu)于6×10-8Pa；2).加熱真空室內(nèi)的原子源(32)，打開閥門，原子蒸汽噴出，使真空室內(nèi)形成飽和濃度的原子蒸汽；3).采用三維磁光阱對(duì)熱原子進(jìn)行捕獲和冷卻，冷卻到200μk以下，形成冷原子云團(tuán)，同時(shí)利用光學(xué)泵浦激光(16)和再泵浦激光(1’、2’、13’、15’、18’、19’)將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上；4).利用和原子束出射方向平行的電流方向相反的N根直導(dǎo)線組3形成管狀磁阱，使原子團(tuán)出射時(shí)受到磁阱的橫向囚禁，不會(huì)橫向膨脹而發(fā)散；安置在真空室外的垂直與縱向軸線的平行相對(duì)的第一磁鐵(7)和第二磁鐵(20)在縱向上形成均勻的磁場(chǎng)，使原子在運(yùn)輸過程中拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率大于磁阱的捕獲頻率，保證原子的態(tài)不發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)絕熱傳輸；5).利用激光縱向輻射壓力不平衡，將原子云團(tuán)從1/4波片反射鏡組(4)中心的小孔推出；利用與原子束相對(duì)的冷卻激光(8)、再泵浦激光(8’)對(duì)原子束進(jìn)行減速；6).原子云團(tuán)通過1/4波片反射鏡組(4)的小孔后，采用鏡面磁光阱對(duì)原子進(jìn)行冷卻并捕獲到芯片表面(11)上，同時(shí)利用光學(xué)泵浦激光(10)和再泵普激光(5’、8’、9’)對(duì)原子云團(tuán)進(jìn)行作用，將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上，形成高密度原子束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種原子芯片用原子束的發(fā)生方法和裝置。該裝置包括真空室、原子源、二維微調(diào)臺(tái)、磁鐵和內(nèi)外光路系統(tǒng)；內(nèi)外光路系統(tǒng)中包括主激光器和再泵浦激光器；真空室內(nèi)安裝有中心帶有孔的1/4波片反射鏡組和直導(dǎo)線組；磁光阱中采用光學(xué)泵浦激光和再泵浦激光將原子制備到最優(yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)上。本發(fā)明裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?yàn)樵有酒峁┳顑?yōu)弱場(chǎng)搜尋態(tài)、縱向速度低且分布均勻、橫向速度幾乎為零、密度高的原子束，可應(yīng)用于原子在芯片上導(dǎo)引、分波、干涉、原子鐘以及玻色－愛因斯坦凝聚(BEC)研究。
文檔編號(hào)H05H3/00GK1805650SQ200510056940
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者葉雄英, 朱常興, 周兆英, 朱榮, 馮焱穎, 唐興倫, 楊興 申請(qǐng)人:清華大學(xué)