用于磁光阱的磁场线圈的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于磁光阱的磁场线圈。一种用于磁光阱的磁场线圈装置，包括：具有第一表面的第一透明衬底；具有与第一表面相对的第二表面的第二透明衬底；耦合在第一与第二透明衬底之间的一个或多个侧壁；在第一透明衬底的第一表面上的第一组磁场线圈；以及在第二透明衬底的第二表面上的第二组磁场线圈。第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准。第一和第二组磁场线圈被配置成产生磁场分布，该磁场分布在第一与第二透明衬底之间的中心位置上模拟四极磁场分布。
【专利说明】用于磁光阱的磁场线圈
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于磁光阱的磁场线圈。
【背景技术】
[0002]磁光阱(MOT)用于将稀薄原子气体冷却并使其陷落(trap)到大约100 μ K的温度。MOT包括通过光的共振吸收而冷却原子的一组激光，和通过对于每个原子的磁偶极矩的引力而使原子陷落的四极磁场。当共振激光沿着所有六个笛卡尔轴指向气体样本时，MOT最优地工作。这些轴中的一个被最优地选择为四极磁场的主轴。适应该几何形状的传统方式是使原子陷落具有被布置为立方体的面的窗口的真空室中。激光沿着垂直于每个窗口的所有六个笛卡尔轴而被指引到包含原子气体的室中。一对磁线圈通常位于该室的相对侧并且产生四极磁场。
【发明内容】
[0003]用于磁光阱的磁场线圈装置包括具有第一表面的第一透明衬底、具有与第一表面相对的第二表面的第二透明衬底、耦合在第一和第二透明衬底之间的一个或多个侧壁、在第一透明衬底的第一表面上的第一组磁场线圈，和在第二透明衬底的第二表面上的第二组磁场线圈。第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准。第一和第二组磁场线圈被配置成产生磁场分布，该磁场分布在第一与第二透明衬底之间的中心位置上模拟四极磁场分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]应当理解，附图仅仅描绘示例性实施例并因而不被视为对范围进行限制，通过使用附图，将描述具有附加特殊性和细节的示例性实施例，其中:
图1是根据一个实施例的用于磁光阱(MOT)的磁场线圈装置的示意性透视图；
图2是图1的磁场线圈装置的顶视图；
图3Α是图1的磁场线圈装置的顶视图，其附加地示出根据一个实施方式的线圈中的每一个的电流流动的方向；
图3Β是图3Α的磁场线圈装置的透视图，其附加地示出所得到的线圈中每一个的磁场取向；
图4Α是图1的磁场线圈装置的顶视图，其附加地示出根据另一个实施方式的线圈中每一个的电流流动的方向；
图4Β是图4Α的磁场线圈装置的透视图，其附加地示出所得到的线圈中每一个的磁场取向；
图5是根据一个实施例的MOT设备的示意性透视图；
图6是图5的MOT设备的简化侧视图；
图7图示出根据替换性实施例的用于MOT设备的真空单元；
图8和9是表示用于MOT设备的真空单元的横截面的三维磁场模型； 图10A、11A和12A是表不用于MOT设备的传感器本体中的总磁场的分量的磁场矢量图；以及
图1OBUlB和12B描绘其中磁场向量在图10A、11A和12A中被绘出的传感器本体中的平面。
【具体实施方式】
[0005]在下面的详细描述中，充分详细地描述实施例以使得本领域技术人员能够实施本发明。应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以利用其它实施例。因此，下面的详细描述不应领会为限制的意义。
[0006]为诸如可用于原子传感器中的平面冷原子MOT之类的磁光阱(MOT)提供磁场线圈装置。磁场线圈装置通常包括在MOT的第一表面上的第一组磁场线圈和在MOT的相对的第二表面上的第二组磁场线圈。在一个实施方式中，第一组磁场线圈包括在第一表面上基本上平面布置中的三个线圈，并且第二组磁场线圈包括在相对的第二表面上的基本上平面布置中的三个线圈。
[0007]当第一和第二组磁场线圈电连接到一个或多个功率源时，磁场线圈具有离轴磁场取向，其在MOT的中心位置模拟四极磁场分布，其中主场轴与入射激光束路径对准。本磁场线圈能够取代或补充传统的MOT线圈，并且使得平面的、紧凑的传感器封装能够被生产。
[0008]下面关于附图来描述本磁场线圈装置的更多的细节。
[0009]图1和2不意性地图不出根据一个实施例的用于MOT的磁场线圈装置100。一般来说，磁场线圈装置100包括两组磁场线圈，其中第一组磁场线圈在第一透明衬底102上，并且第二组磁场线圈在相对的第二透明衬底104上。如图1中所示，透明衬底104与透明衬底102间隔开并且与其垂直对准。在一个实施例中，透明衬底102和104被接合到其相对端上的多个支持侧壁106以提供密闭外壳。
[0010]透明衬底102，104可以由玻璃材料构成，例如，诸如平面玻璃板。侧壁106可以由硅、玻璃或其它刚性材料构成。在一个实施方式中，在侧壁106由硅制成并且透明衬底102、104为玻璃板的情况下，该玻璃板可以被阳极地结合到侧壁102的相对端。
[0011]第一组磁场线圈包括第一线圈110、第二线圈112、和第三线圈114，其位于第一透明衬底102的第一表面116上。线圈110、112、114具有基本上平面的配置并且在第一表面116上围绕中心位置117相互间隔开。第二组磁场线圈包括第四线圈120、第五线圈122和第六线圈124，其位于与透明衬底102的第一表面116相对的第二透明衬底104的第二表面126上。线圈120、122、124具有基本上平面的配置并且在第二表面126上围绕中心位置127相互间隔开。
[0012]如图2中所图示的，线圈110、112和114与线圈120、122和124偏移对准，从而使得第一表面116上的每个线圈部分地位于第二表面126上由两个线圈所覆盖的区域之上。例如，线圈110部分地在由线圈122和124所覆盖的区域之上；线圈112部分地在由线圈120和122所覆盖的区域之上；并且线圈114部分地在由线圈120和124所覆盖的区域之上。磁场线圈的这种布置考虑到了模拟四极磁场分布的磁场分布，当磁场线圈电连接到一个或多个功率源时，该磁场分布产生于透明衬底102与透明衬底104之间的中心位置上。
[0013]如图1和2中所描绘的，线圈110、112、114中的每一个具有对应的一对连接线111、113、115，它们沿着第一表面116延伸并且超出第一表面116以与一个或多个功率源相连接。同样地，线圈120、122、124中的每一个都具有对应的一对连接线121、123、125，它们沿着第二表面126延伸并且超出第二表面126以与一个或多个功率源相连接。在示例性实施方式中，每对连接线中的一根线连接到正的电源，并且该对中的另一根线连接到负电源。功率源可以是保持在基本上恒定的电平上的脉冲电流源。
[0014]尽管图1和2的磁场线圈装置包括六个线圈，但是应当理解，可以根据针对给定实施方式的需要而采用更多或更少的线圈。此外，线圈可以具有圆形形状、椭圆形状，等等。
[0015]磁场线圈可以是平面的,使用传统的、低成本的洁净室(cleanroom)技术制造。举例来说，可以使用常规的洁净室沉积技术将形成磁场线圈的导电材料沉积在透明衬底(诸如玻璃、耐热玻璃，等等)上。这样的沉积技术的示例包括光学或电子束(e-beam)平版印刷、溅射、或电子束蒸发。导电材料可以是各种金属，诸如铜、金、铝，以及光学透明的导电材料，诸如铟锡氧化物。导电材料可以根据需要沉积在多个层中以便针对每个线圈产生合期望的匝数。在替换性方法中，线圈可以分开地制造，诸如通过在硅衬底上沉积，并且然后通过传统的结合技术附着到透明衬底。
[0016]图3A描绘根据一个实施方式、当从顶部观看时针对磁场线圈装置100中的线圈中每一个的电流流动的方向。线圈110的连接线111连接到第一电流源(Cl)以使得电流如由圆形箭头A所指示的绕线圈110以逆时针方向流动。线圈112的连接线113连接到第二电流源(C2)以使得电流如由圆形箭头B所指示绕线圈112以顺时针方向流动。线圈114的连接线115连接到第三电流源(C3)以使得电流如由圆形箭头C所指示绕线圈114以顺时针方向流动。线圈120的连接线121连接到第四电流源(C4)以使得电流如由圆形箭头D所指示绕线圈110以顺时针方向流动。线圈122的连接线123连接到第五电流源(C5)以使得电流如由圆形箭头E所指示绕线圈122以逆时针方向流动。线圈124的连接线125连接到第六电流源(C6)以使得电流如由圆形箭头F所指示绕线圈124以逆时针方向流动。
[0017]图3B是图3A的磁场线圈装置100的透视图，其附加地示出针对具有相应电流流动的线圈中每一个的所得到的磁场取向。线圈110、122和124具有分别如箭头G、H和I所指示的朝向磁场线圈装置100的顶部取向的磁场。线圈112、114和120具有分别如箭头J、K和L所指示的朝向磁场线圈装置100的底部取向的磁场。
[0018]图3A和3B中所示的针对磁场线圈装置100的电流流动配置提供了对于靠近MOT的中心位置的四极场的良好逼近，从而提供对于MOT中的原子的最优冷却和陷落。
[0019]图4A描绘根据另一实施方式、当从顶部观看时针对磁场线圈装置100中的线圈中每一个的电流流动方向。线圈110的连接线111连接到第一电流源(Cl)以使得电流如由圆形箭头A所指示绕线圈110以逆时针方向流动。线圈112的连接线113连接到第二电流源(C2)以使得电流如由圆形箭头B所指示绕线圈112以顺时针方向流动。线圈114的连接线115连接到第三电流源(C3)以使得电流如由圆形箭头C所指示绕线圈114以顺时针方向流动。线圈120的连接线121连接到第四电流源(C4)以使得电流如由圆形箭头D所指示绕线圈120以逆时针方向流动。线圈122的连接线123连接到第五电流源(C5)以使得电流如由圆形箭头E所指示绕线圈122以逆时针方向流动。线圈124的连接线125连接到第六电流源(C6)以使得电流如由圆形箭头F所指示绕线圈124以逆时针方向流动。
[0020]图4B是图4A的磁场线圈装置100的透视图，其附加地示出针对具有相应电流流动的线圈中每一个的所得到的磁场取向。线圈110、112和114具有分别如由箭头G、J和K所指示朝向磁场线圈装置100的底部取向的磁场，其中电流绕线圈中的每一个以顺时针方向流动。线圈120、122和124具有分别如由箭头L、H和I所指示朝向磁场线圈装置100的顶部取向的磁场。
[0021]图4A和4B中所示的针对磁场线圈装置100的电流流动配置提供了对于靠近MOT的中心位置的四极场的良好逼近，从而提供对于MOT中的原子的最优冷却和陷落。
[0022]图5和6图示出根据一个实施例的MOT设备200，其能够实施先前描述的磁场线圈配置。MOT设备200通常包括真空单元202，该真空单元202包括第一透明板204、相对的第二透明板206和透明板202与206之间的多个侧壁208，其封闭真空室209以用于原子冷却。如图5中所示，第一组磁场线圈位于透明板204上，并且包括第一线圈210、第二线圈212和第三线圈214。第二组磁场线圈位于透明板206上，与第一组磁场线圈偏移对准，诸如前面关于图2所描述的。磁场线圈可以电连接到多个电流源，诸如前面关于图3A所描述的。
[0023]多个激光设备220a、220b和220c被配置成分别通过透明板204上的第一线圈210、第二线圈212、和第三线圈214指引准直激光束进入真空室209，如图5中所示。同样地，多个激光设备220d、220e和220f被分别配置成指引准直激光束以与从激光设备220a、220b和220c发射的激光束相反的方向通过透明板206上的磁场线圈而进入真空室209。通过透明板204和206上的相应的磁场线圈的激光束成角度以使得光束沿着正交轴在真空室209的中心位置224上相交。
[0024]举例来说,如图6中描绘的,激光束可以以相对于透明板204和206的表面大约45度的角度(〃)传播进入真空室209。激光设备220a指引激光束通过透明板204上的线圈而朝向中心位置224，并且激光设备220d指引激光束以相反的方向通过透明板206上的线圈而朝向中心位置224，从而使得激光束在中心位置224处相交。其它激光设备以类似的方式传播激光束以使得光束在真空室209的中心位置224正交地相交。这导致对于真空室209中的原子的最优冷却和陷落。
[0025]在各种实施例中，真空单元202可以实施为用于冷原子传感器的真空封装。当真空单元202用作冷原子传感器的一部分时，真空室209包含原子，该原子由在中心位置224上相交的激光束冷却。所陷落的原子然后可以被监控作为精确原子钟、磁力计、陀螺仪、力口速度计，等等的一部分。
[0026]图7图示出根据替换性实施例的用于MOT的真空单元302，其能够实施之前描述的磁场线圈配置。真空单元302包括第一透明板304、相对的第二透明板和透明板之间的多个侧壁308，其封闭真空室以用于原子冷却。第一组磁场线圈位于透明板304上，并且包括第一线圈310、第二线圈312和第三线圈314。第二组磁场线圈位于相对的透明板上，与第一组磁场线圈偏移对准，诸如前面参照图2所描述的。磁场线圈可以电连接到多个电流源，诸如前面关于图3A所描述的。
[0027]可选磁场线圈320可以位于透明板304上，如图7中所示，其围绕线圈310、312和314。类似的磁场线圈可位于相对的透明板上，围绕第二组磁场线圈。磁线圈320提供偏置磁场，该偏置磁场使得磁场分布的中心能够关于激光束的相交最优化。
[0028]在一个实施例中，真空单元302的磁场线圈可以与内部折叠的光学配置对准(诸如 2012 年 10 月 29 日提交、题为 FOLDED OPTICS FOR BATCH FABRICATED ATOMIC SENSOR的美国申请号13/663，057中所公开的，其公开内容通过参考合并于此)，以便产生完全平面的批量制造的MOT。通过将本磁场线圈装置增加到具有折叠式光学器件的M0T，使所产生的四极场相对于相交的激光束最优化，从而提供对于原子的最优冷却和陷落。
[0029]图8是表示用于具有在此描述的磁场线圈装置的MOT的真空单元的截面的三维(3-D)磁场模型400。该截面平行于真空单元的侧壁。磁场在410处所示的真空单元的中心区域中处于最小值(接近于零)，并且强的场梯度沿着激光束传导的方向朝向420处所示的线圈区域而向外延伸。
[0030]图9是表示用于具有在此描述的磁场线圈装置的MOT的真空单元的离轴截面的3-D磁场模型450。再一次地，磁场在410处所示的真空单元的中心区域中处于最小值(接近于零)，并且强的场梯度沿着激光束传播的方向朝向420处所示的线圈而向外延伸。
[0031]图10A是表示总磁通密度(B)场在传感器本体500 (诸如图10B中所示的MOT的真空单元)的X=O平面中的{By，Bz}分量的磁场矢量图。传感器本体500包括六个线圈的磁场线圈装置，其中三个线圈510、512、514在上透明表面上，并且三个线圈520、522、524在下透明表面上。图1lA是表示总B场在传感器本体500的y=0平面(其在图1lB中被描绘)中的{Bx，Bz}分量的磁场矢量图。图12A是表示总B场在传感器本体500的z=0平面(其在图12B中被描绘)中的{Bx，By}分量的磁场矢量图。图10AU1A和12A的图中每一个的中心处的原点表示传感器本体500内部的中心位置，此处平面中的每一个相交。如图中所描绘的，磁场的分量朝向中心而变得更小以致中心具有为零的场。
[0032]示例实施例
示例I包括用于磁光阱的磁场线圈装置，包括:具有第一表面的第一透明衬底；具有与第一表面相对的第二表面的第二透明衬底；耦合在第一与第二透明衬底之间的一个或多个侧壁；在第一透明衬底的第一表面上的第一组磁场线圈；和在第二透明衬底的第二表面上的第二组磁场线圈，第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准；其中第一和第二组磁场线圈被配置成产生磁场分布，其在第一与第二透明衬底之间的中心位置上模拟四极磁场分布。
[0033]示例2包括示例I的磁场线圈装置，其中第一和第二透明衬底每个包括玻璃板。
[0034]示例3包括示例1-2中任一个的磁场线圈装置，其中第一组磁场线圈电连接到一个或多个功率源，并且第二组磁场线圈电连接到一个或多个功率源。
[0035]示例4包括示例1-3中任一个的磁场线圈装置，其中第一组磁场线圈包括在基本上平面的配置中且在第一透明衬底的第一表面上围绕中心位置相互间隔开的第一线圈、第二线圈和第三线圈。
[0036]示例5包括示例4的磁场线圈装置，其中第二组磁场线圈包括在基本上平面的配置中且在第二透明衬底的第二表面上围绕中心位置相互间隔开的第四线圈、第五线圈和第六线圈。
[0037]示例6包括示例4和5中任一个的磁场线圈装置，其中:第一线圈连接到第一电流源以使得电流绕第一线圈以逆时针方向流动；第二线圈连接到第二电流源以使得电流绕第二线圈以顺时针方向流动；以及第三线圈连接到第三电流源以使得电流绕第三线圈以顺时针方向流动。
[0038]示例7包括示例5和6中任一个的磁场线圈装置，其中:第四线圈连接到第四电流源以使得电流绕第四线圈以顺时针方向流动；第五线圈连接到第五电流源以使得电流绕第五线圈以逆时针方向流动；以及第六线圈连接到第六电流源以使得电流绕第六线圈以逆时针方向流动。
[0039]示例8包括示例4和5中任一个的磁场线圈装置，其中:第一线圈连接到第一电流源以使得电流绕第一线圈以顺时针方向流动；第二线圈连接到第二电流源以使得电流绕第二线圈以顺时针方向流动；以及第三线圈连接到第三电流源以使得电流绕第三线圈以顺时针方向流动。
[0040]示例9包括示例5和8中任一个的磁场线圈装置，其中:第四线圈连接到第四电流源以使得电流绕第四线圈以逆时针方向流动；第五线圈连接到第五电流源以使得电流绕第五线圈以逆时针方向流动；以及第六线圈连接到第六电流源以使得电流绕第六线圈以逆时针方向流动。
[0041]不例10包括磁光讲设备,包括:真空单兀，包括:具有第一表面的第一透明板；在第一透明板的第一表面上的第一组磁场线圈；具有与第一表面相对的第二表面的第二透明板；在第二透明板的第二表面上的第二组磁场线圈，第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准；耦合在第一和第二透明板之间的一个或多个侧壁；以及由第一和第二透明板和该一个或多个侧壁封闭的真空室。磁光阱设备还包括电连接到第一和第二组磁场线圈的多个功率源；以及多个激光设备，每个被配置成指引激光束通过第一和第二组磁场线圈中的相应磁场线圈以使得激光束沿正交轴在真空室的中心位置上相交。第一和第二组磁场线圈产生磁场分布，其在真空室的中心位置上模拟四极磁场分布。
[0042]示例11包括示例10的磁光阱设备，其中第一和第二透明板每个包括玻璃板。
[0043]示例12包括示例10-11中任一个的磁光阱设备，其中第一组磁场线圈包括在基本上平面的配置中且在第一透明板的第一表面上围绕中心位置相互间隔开的第一线圈、第二线圈和第三线圈。
[0044]示例13包括示例12的磁光阱设备，其中第二组磁场线圈包括在基本上平面的配置中且在第二透明板的第二表面上围绕中心位置相互间隔开的第四线圈、第五线圈和第六线圈。
[0045]示例14包括示例12-13中任一个的磁光阱设备，其中:第一线圈连接到第一电流源以使得电流绕第一线圈以逆时针方向流动；第二线圈连接到第二电流源以使得电流绕第二线圈以顺时针方向流动；以及第三线圈连接到第三电流源以使得电流绕第三线圈以顺时针方向流动。
[0046]示例15包括示例13-14中任一个的磁光阱设备，其中:第四线圈连接到第四电流源以使得电流绕第四线圈以顺时针方向流动；第五线圈连接到第五电流源以使得电流绕第五线圈以逆时针方向流动；以及第六线圈连接到第六电流源以使得电流绕第六线圈以逆时针方向流动。
[0047]示例16包括示例10-15中任一个的磁光阱设备，其中真空单元还包括在第一表面上基本上环绕第一组磁场线圈的附加磁场线圈。
[0048]示例17包括示例16的磁光阱设备，其中真空单元还包括在第二表面上基本上环绕第二组磁场线圈的附加磁场线圈。
[0049]示例18包括制造用于磁光阱的真空单元的方法，该方法包括:在第一透明衬底的第一表面上形成第一组磁场线圈；在第二透明衬底的第二表面上形成第二组磁场线圈；将第一和第二衬底附着到一个或多个侧壁以使得第一表面与第二表面相对，并且第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准；以及形成由第一和第二透明衬底和该一个或多个侧壁封闭的真空室，其中第一和第二组磁场线圈产生磁场分布，其在真空室的中心位置上模拟四极磁场分布。
[0050]示例19包括示例18的方法，其中第一组磁场线圈包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，其形成在基本上平面的配置中且在第一透明衬底的第一表面上围绕中心位置相互间隔开。
[0051]示例20包括示例19的方法，其中第二组磁场线圈包括第四线圈、第五线圈和第六线圈，其形成在基本上平面的配置中且在第二透明衬底的第二表面上围绕中心位置相互间隔开。
[0052]本发明可以以其它形式具体实施而不脱离其本质特性。所描述的实施例应被认为在所有方面仅仅作为说明性的并且不是限制性的。因此，本发明意图仅由权利要求及其等同物限制。
【权利要求】
1.一种用于磁光阱的磁场线圈装置，包括: 具有第一表面的第一透明衬底； 具有与第一表面相对的第二表面的第二透明衬底； 耦合在第一与第二透明衬底之间的一个或多个侧壁； 在第一透明衬底的第一表面上的第一组磁场线圈；以及 在第二透明衬底的第二表面上的第二组磁场线圈，第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准； 其中第一和第二组磁场线圈被配置成产生磁场分布，该磁场分布在第一与第二透明衬底之间的中心位置上模拟四极磁场分布。
2.权利要求1的磁场线圈装置，其中: 第一组磁场线圈包括在第一透明衬底的第一表面上的第一线圈、第二线圈和第三线圈，其中: 第一线圈连接到第一电流源以使得电流绕第一线圈以逆时针方向流动； 第二线圈连接到第二电流源以使得电流绕第二线圈以顺时针方向流动；以及 第三线圈连接到第三电流源以使得电流绕第三线圈以顺时针方向流动； 第二组磁场线圈包括在第二透明衬底的第二表面上的第四线圈、第五线圈和第六线圈，其中: 第四线圈连接到第四电流源以使得电流绕第四线圈以顺时针方向流动； 第五线圈连接到第五电流源以使得电流绕第五线圈以逆时针方向流动；以及 第六线圈连接到第六电流源以使得电流绕第六线圈以逆时针方向流动。
3.一种磁光讲设备，包括: 真空单元，包括: 具有第一表面的第一透明板； 在第一透明板的第一表面上的第一组磁场线圈； 具有与第一表面相对的第二表面的第二透明板； 在第二透明板的第二表面上的第二组磁场线圈，第二组磁场线圈与第一组磁场线圈偏移对准； 耦合在第一和第二透明板之间的一个或多个侧壁；以及 由第一和第二透明板以及该一个或多个侧壁封闭的真空室； 电连接到第一和第二组磁场线圈的多个功率源；以及 多个激光设备，每个被配置成指引激光束通过第一和第二组磁场线圈中的相应磁场线圈以使得激光束沿着正交轴在所述真空室的中心位置上相交； 其中第一和第二组磁场线圈产生磁场分布，该磁场分布在所述真空室的中心位置上模拟四极磁场分布。
【文档编号】H01J49/00GK104465016SQ201410488652
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】R.坎普顿, C.费尔蒂 申请人:霍尼韦尔国际公司