基于环形永磁铁的塞曼减速器的制作方法

本发明涉及激光冷却领域，特别涉及一种基于环形永磁铁的塞曼减速器。

背景技术：

冷原子气体由于其量子特性受到科学界越来越多的重视，从而被广泛应用于诸如原子光学、超精细原子光谱、多体系统特性、原子干涉、玻色爱因斯坦凝聚和原子钟的研究中。根据热力学原理，气体原子分子的温度与其运动速度成正正比，因此对原子减速就达到了冷却的目的。如果用热传递的方式对气态原子进行冷却，当温度下降到使得原子的热运动速度小于1m/s时，气体将凝结成液体或固体，这时原子间会产生强烈的相互作用，介质的能级结构和性能也会发生显著变化。一种有效获得冷原子气体的方法就是利用激光冷却原子。激光冷却同传统热传递冷却的区别就是在冷却过程中，降低了原子的速度，使其等效温度远远低于原子的熔点或沸点，但由于原子的密度较小，并没有发生气态到液态或固态的相变。

激光冷却原子的基本原理是动量守恒定律。在激光冷却过程中，原子吸收一个光子跃迁到高能级，然后再自发辐射一个光子回落到基态。自发辐射过程中，原子发出的光子方向是随机的。因此从大量原子和多次过程的统计结果上看，原子自发辐射光子的总动量的矢量和是0，所以整个过程的原子动量变化就是原子吸收光子过程的动量变化。最终表现为原子在激光传播方向上的减速。

原子冷却需要考虑多普勒效应。原子跃迁的频率是自然基准，只和原子的特性有关，不随外界环境的改变而改变。原子只能吸收和它本身跃迁频率一致光子发生跃迁。但是，当原子以一定的速度运动时，由于 多普勒效应，原子感受到的光的频率会发生改变，其频移大小和速度成正比。当光和原子相对运动时，原子感受到的光的频率会比实际频率高，称为蓝移。所以要使原子跃迁发生，光的实际频率需要比原子跃迁频率低，称为红失谐。

由于塞曼效应，原子的跃迁谱线在外磁场中会产生分裂。裂距和磁场的大小成正比。塞曼效应有偏振特性。对于量子数+1的跃迁，原子倾向于吸收σ⁺的偏振光，以保持角动量守恒；同理，对于量子数-1的跃迁，原子倾向于吸收σ^-偏振光；对于量子数变为为0的跃迁，原子倾向于吸收线偏振光。

高速原子和一定频率的激光作用减速后，由于多普勒效应，原子便不再和这一频率的激光继续作用，造成原子不能够持续减速。

为解决这一问题，可以通过一个外加磁场，利用塞曼效应来补偿多普勒效应产生的频移，让二者相互抵消。这样，原子便能够持续和一固定频率的激光相互作用，原子就能够得到持续减速。其磁场分布必须和原子速度在空间上的分布一致。这种产生外磁场分布，使得塞曼效应抵消多普勒频移，能够对原子进行持续减速的装置被称为塞曼减速器。

传统的塞曼减速器是利用通电线圈产生塞曼磁场，主要有一线式和分段式两种。对于一线式塞曼减速器，整个磁场由一段线圈产生，由于通电电流恒定，因此需要严格控制每一点处导线的层数，最终需要绕成特定的形状，才能够产生和理论比较接近的磁场。因此对绕线圈数层数都有很严格的要求，需要用软件进行仿真和计算，同时对绕线本身的精度也有很高的要求。对于分段式塞曼减速器，由于在每段可以应用不同的电流，因此对绕线的计算和绕线精度要求都有所降低。

以上两种塞曼减速器的都是通电螺线管式，在工作的时候需要通以一定的电流，电流在流过导线产生磁场的同时，会产生热量，导致整个塞曼减速器温度升高。温度升高首先会影响线圈的电阻，会造成电流的不稳定，影响原子减速；其次温度升高会导致塞曼减速器内的真空度变差；第三，加热也会影响最终原子的冷却，会对原子样品产生热辐射，升高原子的温度。

解决发热问题的一个方案是利用水冷系统来平衡线圈的发热。然而加入水冷系统以后，水的流动会有一定的振动，会对原子样品引入新的振动噪声；同时水冷并不能完全消除加热的影响，顺着水流的方向，也会在塞曼减速器中产生一定的温度梯度等。

目前国际上有利用永磁铁实现塞曼减速器的尝试。其中有的是利用和原子运动方向垂直的磁场，称为横向塞曼减速器，如英国NPL实验室。此类减速器磁场非轴对称，均匀性差，会对原子的减速产生不利影响。另一些是利用减速器中心轴对称的几条磁铁产生的同原子运动方向相同的磁场，成为纵向塞曼减速器，如德国的PTB等。这种磁场虽然是关于塞曼减速器纵轴对称分布，然而由有限几条磁铁产生的磁场终究无法做到关于纵轴的柱对称。在横向不同分布点的原子所处的磁场不同，其塞曼分裂不同，原子的谐振频率便不同，因此所有原子无法实现同样的冷却效果。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于环形永磁铁的塞曼减速器，通过提供能够匹配理想磁场模型的实际磁场，有效地补偿原子在激光冷却过程总多普勒频移的变化，使激光频率和原子在减速器中始终保持谐振。

根据本发明的一个方面，提供一种基于环形永磁铁的塞曼减速器，包括多个环形永磁铁，其中：

多个环形永磁铁同轴排列，以便形成用于放置减速腔的腔室；

通过控制各环形永磁铁所产生的磁场，以便在减速腔中形成特定的磁场分布，且沿减速腔的轴线呈柱对称。

在一个实施例中，环形永磁铁上的单个磁偶极子对空间中P点所产生的磁场强度为：

其中，B_x、B_y、B_z是单个磁偶极子在空间中P点所产生的磁场在三个坐标轴上的分量，μ₀表示真空中的磁导率，m为磁偶极子的磁矩，r表示单个磁偶极子与空间中点P的距离，

在一个实施例中，减速腔出口处的最大磁场不大于预定的磁场门限B(z)，其中：

其中，h表示普朗克常数，δ表示激光频率相对于原子跃迁频率的失谐量，μ_B表示磁导率，λ表示激光波长，v_i表示原子进入塞曼减速器的初速度大小，a表示原子在塞曼减速器中获得的加速度，z表示原子在塞曼减速器轴向上的位置。

在一个实施例中，在各环形永磁铁外设置磁屏蔽层，以便防止磁场泄露。

在一个实施例中，磁屏蔽层由软铁材料构成。

在一个实施例中，各环形永磁铁由两部分构成，以便能够沿减速腔的轴线分为两部分。

在一个实施例中，各环形永磁铁的极性方向相同。

在一个实施例中，在减速腔轴线上指定位置一侧的环形永磁铁具有第一极性方向，在指定位置另一侧的环形永磁铁具有第二极性方向，第一极性方向和第二极性方向相反。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明塞曼减速器一个实施例的示意图。

图2为本发明不同极性方向情况下的磁场强度示意图。

图3为本发明实际磁场分布与理论磁场分布对比示意图。

图4为本发明塞曼减速器距离中心轴线5mm处的磁场强度的轴向分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

需要说明的是，当原子处在塞曼减速器中，激光行进方向和原子的运动方向相反，激光频率相对原子跃迁频率的实际失谐量可以表示为：

其中δ₀为激光频率相对原子静共振频率的失谐量(δ₀＝ω_laser-ω_atom)；k*v(z)表示原子在塞曼减速器内z点由于速度造成的多普勒频移，k为光波矢，v(z)为原子在z点的速度。

表示在塞曼减速器内z点处的磁场引起的塞曼频移，μ_B为磁导率，为约化普朗克常数。

“-”和“+”分别对应塞曼分裂中量子数变化为+1和-1的跃迁，分别需要利用σ⁺光和σ^-光进行激发。

要使原子束持续有效地在减速器中被减速，激光频率与原子跃迁应始终谐振，即应使总失谐量在塞曼减速器内轴上任意点δ＝0。

因此塞曼减速器的轴向磁场分布为：

B(z)＝±B_b±B_d(z) (2)

其中B_b是偏置磁场，可根据实际情况选择，和δ₀的大小相关，其中“+”表示和原子运动方向同向的磁场，“-”表示和原子运动方向相反的磁场。B_d(z)为随塞曼减速器轴向位置而变化的磁场。

本发明所提出的塞曼减速器可包括多个环形永磁铁，其中，如图1所示，多个环形永磁铁1同轴排列，以便形成用于放置减速腔的腔室2。通过控制各环形永磁铁所产生的磁场，以便在减速腔中形成特定的磁场分布，且沿减速腔的轴线呈柱对称。

其中，减速腔与多个环形永磁铁同轴，同时通过控制各环形永磁铁的内外径和厚度，可控制其所产生的磁场。

基于本发明上述实施例提供的塞曼减速器，由于横向磁场分布均匀，呈柱对称，且均匀区域较大，有利于所有原子的共同减速。

优选的，在各环形永磁铁外设置磁屏蔽层3，以便防止磁场泄露。例如，磁屏蔽层2可由软铁材料构成。

优选的，各环形永磁铁可由两部分构成，以便能够沿减速腔的轴线分为两部分，从而便于安装和移动。

由于本发明提出的塞曼减速器由多块环形永磁铁组合而成，因此永磁铁的极性安装方向可根据实际磁场需求情况加以改变。

在一个实施例中，各环形永磁铁的极性方向相同。在另一实施例中，各环形永磁铁的极性方向可不相同。例如，在减速腔轴线上指定位置一侧的环形永磁铁具有第一极性方向，在指定位置另一侧的环形永磁铁具有第二极性方向，第一极性方向和第二极性方向相反。

相应的磁场示意图如图2所示。从图2中可以看到，在全部永磁铁极性方向相同的情况下(即单向磁场)，无论是左旋光还是右旋光，磁场曲线均不过零。而在永磁铁极性方向不相同的情况下(即自旋反转)，无论是左旋光还是右旋光，会出现磁场曲线过零的情况。

若原子(例如锶原子)在塞曼减速器里面匀减速运动，理论最大加速度可由公式确定：

其中Γ为原子的跃迁几率，和光强相关，M为锶原子质量。对于锶原子¹S₀-¹P₁跃迁，a_max＝9.83*10⁵m/s²，例如设计加速度为最大加速度的一半，即a＝4.915*10⁵m/s²，以保证在当前塞曼光强的前提下，原子速度变化足够快，能够将绝大多数原子的速度从初始状态的500m/s降低至80m/s。

根据公式：

可计算理论需要的磁场。h表示普朗克常数，δ表示激光频率相对于原子跃迁频率的失谐量，μ_B表示磁导率，λ表示激光波长，v_i表示原子进入塞曼减速器的初速度大小，a表示原子在塞曼减速器中获得的加速度，z表示原子在塞曼减速器轴向上的位置。

在一个实施例中，单个环形永磁铁上的单个磁偶极子对空间中P点所产生的磁场强度为：

其中，B_x、B_y、B_z是单个磁偶极子在空间中P点所产生的磁场在三个坐标轴上的分量，μ₀表示真空中的磁导率，m为磁偶极子的磁矩，r表示单个磁偶极子与空间中点P的距离，

根据实际需要，可对环形永磁铁的内外径和厚度进行相应调整，得到的实际磁场分布和理论计算磁场分布比较如图3所示，可以看到实际磁场分布与理论磁场分布拟合得非常好。偏差最大处为0.5mT，小于2％。这里末端的实际磁场比理论磁场低且变化缓慢，是由于实际磁场的控制无法做到磁场快速降低到0，必须缓变降低，因此实际磁场变化速度要比理论磁场缓慢。同时为了防止原子到达塞曼减速器末端时速度低于期望，甚至获得了反向的速度又飞回原子炉中，因此塞曼减速器在出口处的最大磁场不能大于理论磁场。即，减速腔出口处的最大磁场不大于预定的磁场门限B(z)(如公式4所示)，也就是不大于该处的理论磁场。

在塞曼减速器中，磁场变缓相当于设计加速度变小，因此不影响实际使用。

由于在本发明中横向磁场分布均匀，呈柱对称，且均匀区较大，有利于所有原子的共同减速。在径向距离为5mm的时候，在减速器的绝大部分区域中实际磁场与理论值的偏差小于0.1mT，最大处为入口处的0.5mT，小于1％。图4所示为本发明塞曼减速器距离中心轴线5mm处的磁场强度的轴向分布。

通过使用环形永磁铁，从而本发明所给出的塞曼减速器磁场是关于中心轴线旋转对称的，因为热原子束和冷却激光都具有一定的横截面积，中心对称的磁场可以确保所有的热原子经历相同的塞曼效应，进而达到同时减速的目的。

通过实施本发明，可以得到以下有益效果：

本发明利用环形永磁铁产生塞曼减速其所需磁场，在轴向上的磁力线关于中心轴线旋转对称，磁场强度在减速器截面上分布均匀，保证了轴向上同一空间位置的原子被同时减速。而且该塞曼减速器在使用过程中无功耗，属于清洁设备，不会发生发热的情况，有利于实验安全，也 提高了冷却效率。另外，该环形永磁铁塞曼减速器还具有小型化的潜力。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。