專利名稱:一種用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷原子光學(xué)晶格領(lǐng)域，特指一種用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，適用于任何類型中性冷原子的光學(xué)晶格。
背景技術(shù)：
近年來，基于一維、二維和三維駐波激光場的原子光學(xué)晶格的研究已成為冷原子物理和原子光學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點之一。這種技術(shù)已逐漸被應(yīng)用到對冷原子及玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)體的受限與控制、偏振梯度冷卻與囚禁的動力學(xué)、Raman冷卻和絕熱冷卻、量子傳輸和隧道效應(yīng)等的研究中。在微光阱陣列中，特別是在量子信息、光晶格和原子芯片的研究中，采用表面原子光學(xué)晶格囚禁中性冷原子(或冷分子)具有十分重要的意義。2002年，Dumke等人提出采用微透鏡陣列聚焦紅失諧高斯光束實現(xiàn)了表面原子光學(xué)晶格的方案，并實現(xiàn)了對中性原子的原子光學(xué)晶格。2005年，紀(jì)憲明等人采用了四臺階相位光柵與微透鏡陣列組合產(chǎn)生了一種表面原子光學(xué)晶格。2007年，張?zhí)觳诺热颂岢隽死盟奶准す獾碾p色消逝波駐波場實現(xiàn)表面原子光學(xué)晶格的方案，得到了二維水平面上和深度上都不是各向同性的表面原子光學(xué)晶格。2008年，我們提出了一種采用兩套消逝波干涉和一束藍(lán)失諧消逝波光場來實現(xiàn)原子二維冷原子表面光學(xué)晶格 的方案，得到了各向同性的二維冷原子表面光學(xué)晶格。
雖然原子光學(xué)晶格的研究已取得了非常大的成就，但受光的衍射極限的影響，傳統(tǒng)的原子光學(xué)晶格的光場特征尺度一般只能限制在半波長量級的線度范圍，從而一般在微米量級，因此這將對原子光學(xué)晶格的基礎(chǔ)研究和技術(shù)特征帶來一些不足。與此同時，隨著微細(xì)加工技術(shù)和集成光學(xué)的不斷發(fā)展，光學(xué)元器件的不斷小型化已經(jīng)接近了光的衍射極限，這將會導(dǎo)致在納尺度的原子光學(xué)晶格遭遇到瓶頸。因此，如何獲得突破衍射極限的各種原子光學(xué)晶格技術(shù)是目前原子物理領(lǐng)域和微納光學(xué)的一大研究熱點。亞波長圓孔徑近場衍射是一種近場光學(xué)局域增強效應(yīng)，它具有將電磁場能量局域在突破衍射極限的納米尺度空間范圍的特性。本發(fā)明的思路是利用特征尺度小于波長的圓孔徑陣列的激光衍射，產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場，從而實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法。本發(fā)明利用激光經(jīng)過亞波長圓孔徑陣列時的周期性近場衍射光場來實現(xiàn)對中性冷原子的有效囚禁，從而實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格。近場衍射光場具有將電磁場能量局域在突破衍射極限的空間范圍的特性，同時它是一種近場光學(xué)效應(yīng)，它可以使原子表面光學(xué)晶格的特征長度達(dá)到納米量級。這種方法原理簡單，操作方便，可重復(fù)性好，能實現(xiàn)各種中性冷原子的表面光學(xué)晶格，應(yīng)用范圍廣泛。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是利用亞波長圓孔徑陣列的近場衍射來實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格。激光照射水平放置的亞波長圓孔徑陣列時，衍射產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場，它能對裝載進(jìn)入的中性冷原子實現(xiàn)有效囚禁，從而實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格。
本發(fā)明方法的具體步驟是:
(I)將亞波長圓孔徑陣列裝置水平安裝放置到激光光路系統(tǒng)中；
(2)調(diào)節(jié)激光光路系統(tǒng)，使其從下向上照射亞波長圓孔徑陣列裝置，經(jīng)衍射產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場；
(3)利用多普勒激光冷卻和偏振梯度冷卻方法實現(xiàn)中性原子的磁光阱冷原子光學(xué)粘膠；
(4)進(jìn)行冷原子裝載，使磁光阱冷原子光學(xué)粘膠的冷原子裝載到周期性分布的光場中，形成二維冷原子表面光學(xué)晶格。
對上述形成的二維冷原子表面光學(xué)晶格，可利用原子探測器的近共振原子吸收成像技術(shù)測量二維冷原子表面光學(xué)晶格中原子的數(shù)目、密度和原子分布尺寸。
本發(fā)明中所述亞波長圓孔徑陣列，通過下述方法制得:在平面硅片上采用磁控濺射方法鍍上一層貴金屬(如選用銀)薄膜，再利用飛秒激光加工系統(tǒng)在貴金屬薄膜上加工出周期性的亞波長圓孔徑，形成亞波長圓孔徑陣列。
本發(fā)明中光路系統(tǒng)由光源系統(tǒng)、聚焦透鏡、擴束透鏡組成；光源系統(tǒng)發(fā)出的激光束先經(jīng)過聚焦透鏡聚焦，再經(jīng)過擴束透鏡擴束，形成寬光束平行光，然后垂直照射到亞波長圓孔徑陣列上。
光源系統(tǒng)由中激光器、斬波器、聚焦鏡、光纖組成，激光器為連續(xù)激光，工作波長為780nm。
步驟(3)中利用四極磁阱和光學(xué)粘膠相結(jié)合的方法實現(xiàn)中性原子的多普勒激光冷卻和偏振梯度冷卻，形成磁光阱冷原子光學(xué)粘膠，此時原子溫度約為20微開。
步驟(4)中的冷原子裝載是通過調(diào)節(jié)磁光阱的激光強度使原子在重力作用下裝載進(jìn)入。
該方法將亞波長圓孔徑陣列的近場衍射技術(shù)和原子囚禁技術(shù)相結(jié)合，能夠獲得突破衍射極限的二維冷原子表面光學(xué)晶格。該方法可實現(xiàn)在金屬結(jié)構(gòu)表面100納米以內(nèi)的二維冷原子表面光學(xué)晶格，這樣可以把原子的突出相干性和固態(tài)裝置的微型化、集成化完美地結(jié)合起來，可用于進(jìn)一步微型化與集成化的量子原子芯片的研制。


圖1 二維冷原子表面光學(xué)晶格裝置示意圖。
圖2光源系統(tǒng)示意圖。
圖中:1.光源系統(tǒng)，2.聚焦透鏡，3.擴束透鏡，4.亞波長圓孔徑陣列，5.二維冷原子表面光學(xué)晶格，6.磁光阱冷原子光學(xué)粘膠，7.原子探測器，8.激光器，9.斬波器，10.聚焦透鏡，11.光纖。
具體實施方式
以中性銣87原子為例，但不限于此。
實施例1[0023](I)采用時域有限差分方法(FDTD)模擬出圖1中能實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格5的亞波長圓孔徑陣列4的形狀，并用CORELDRAW畫圖軟件進(jìn)行設(shè)計畫圖。
(2)在平面硅片上采用磁控濺射方法鍍上一層貴金屬(如銀)薄膜，再利用飛秒激光加工系統(tǒng)在貴金屬薄膜上加工出周期性的圓孔徑，加工出圖1中的亞波長圓孔徑陣列4。
(3)利用支架將圖1中的亞波長圓孔徑陣列4水平放置，安裝固定到位，并且貴金屬薄膜部分朝上。
(4)圖1中光源系統(tǒng)I由圖2中的激光器8、斬波器9、聚焦透鏡10、光纖11組成。調(diào)節(jié)光源系統(tǒng)1，輸出工作波長為780nm的連續(xù)激光，相對銣87原子為紅失諧。圖1中光源系統(tǒng)I發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦透鏡2后被聚焦，再經(jīng)過擴束透鏡3后形成寬光束平行光，該平行光從下向上照射亞波長圓孔徑陣列裝置4，經(jīng)衍射產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場。
(5)利用一對通以反向電流的反亥姆霍茲線圈產(chǎn)生一四極磁阱，三對(六束)相向傳輸?shù)淖?、右旋圓偏振光的光學(xué)粘膠光束彼此互相垂直并相交于磁講中心，構(gòu)成一個磁光阱(MOT)，在多普勒冷卻機制和偏振梯度冷卻機制的作用下，形成了磁光阱銣87冷原子光學(xué)粘膠6,溫度約20微開。
(6)通過調(diào)節(jié)磁光阱光學(xué)粘膠6中的激光強度，使原子在重力作用下從磁光阱銣87冷原子光學(xué)粘膠6中裝載進(jìn)入步驟4形成的周期性分布的局域增強近場光場中，從而形成二維冷原子表面光學(xué)晶格5。
(7)對上述形成的二維冷原子表面光學(xué)晶格，可利用近共振原子吸收成像技術(shù)，即原子探測器7來測量二維冷原子表 面光學(xué)晶格中原子的數(shù)目、密度和原子分布尺寸。
權(quán)利要求
1.一種用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于激光照射水平放置的亞波長圓孔徑陣列時衍射產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場，它對裝載進(jìn)入的中性冷原子實現(xiàn)有效囚禁，從而實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將亞波長圓孔徑陣列裝置水平安裝放置到激光光路系統(tǒng)中； (2)調(diào)節(jié)激光光路系統(tǒng)，使其從下向上照射亞波長圓孔徑陣列裝置，經(jīng)衍射產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場； (3)利用多普勒激光冷卻和偏振梯度冷卻方法實現(xiàn)中性原子的磁光阱冷原子光學(xué)粘膠； (4)使磁光阱冷原子光學(xué)粘膠中的冷原子裝載到周期性分布的光場中，形成二維冷原子表面光學(xué)晶格。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于所述亞波長圓孔徑陣列通過下述方法制得:在平面硅片上采用磁控濺射方法鍍上一層貴金屬薄膜，再利用飛秒激光加工系統(tǒng)在貴金屬薄膜上加工出周期性的亞波長圓孔徑，形成亞波長圓孔徑陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于激光光路系統(tǒng)由光源系統(tǒng)(I)、聚焦透鏡(2)、擴束透鏡(3)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于光源系統(tǒng)(I)由激光器(8)、斬波器(9)、聚焦鏡(10)、光纖(11)組成,激光器為連續(xù)激光，工作波長為780nm，相對銣87原子為紅失諧。
6.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于磁光阱冷原子光學(xué)粘膠通過下述方法制得:利用四極磁阱和光學(xué)粘膠相結(jié)合的方法實現(xiàn)中性原子的多普勒激光冷卻和偏振梯度冷卻冷卻，形成磁光阱冷原子光學(xué)粘膠，此時原子溫度約為20微開。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，其特征在于二維冷原子表面光學(xué)晶格的裝載是通過調(diào)節(jié)磁光阱的激光強度使原子在重力作用下裝載進(jìn)入到周期性分布的光場中。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用圓孔徑陣列實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格的方法，涉及中性冷原子激光囚禁及冷原子光學(xué)晶格領(lǐng)域。本發(fā)明基于亞波長圓孔徑陣列的近場光學(xué)衍射，通過激光光源系統(tǒng)、聚焦透鏡、擴束透鏡、亞波長圓孔徑陣列、二維冷原子表面光學(xué)晶格、磁光阱冷原子光學(xué)粘膠、原子探測器、激光器、斬波器、聚焦透鏡、光纖，以及計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)。用激光照射水平放置的亞波長圓孔徑陣列，激光經(jīng)亞波長圓孔徑陣列的衍射，產(chǎn)生周期性分布的局域增強近場光場，它能實現(xiàn)對裝載進(jìn)入的中性冷原子實現(xiàn)有效的囚禁，從而實現(xiàn)二維冷原子表面光學(xué)晶格。本發(fā)明可實現(xiàn)不同種類的中性冷原子的表面光學(xué)晶格，晶格常數(shù)可調(diào)，原理簡單，操作方便，應(yīng)用范圍廣泛。
文檔編號G21K1/00GKCN103236278SQ201310110267
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月29日
發(fā)明者王正嶺, 姜文帆, 王艷麗 申請人:江蘇大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan