可控原子源的制作方法

本发明涉及用于制造受控原子源，特别是用于冷原子应用的方法和装置。

背景技术：

产生特定原子种类的可捕获原子的蒸气的能力对于冷原子装置，例如那些包括在真空条件下受到激光冷却的原子蒸气源的冷原子装置，是很有用的。这类装置包括那些在其中使原子在真空条件下被从背景气体或原子束中捕获的装置。

有许多理想的实际应用需要用到特定原子的可捕获原子蒸气源。例如，特定原子的原子蒸气源对于生产光学时钟(其使用激光冷却的原子)和原子干涉仪(其可被用作重力传感器或重力梯度传感器)是很理想的。此外，原子蒸气源对于有关玻色－爱因斯坦凝聚的实验也是理想的。

用于产生可捕获原子的原子蒸气的一种已知方法是使用在常温下具有足够蒸气压的材料，并将该材料的大样置于真空室中。通过使用位于材料源和实验真空室之间的阀门来控制原子蒸气的供应。然而，如果包含所需原子种类的材料在环境温度下仅具有微小的蒸气压，则这种产生原子蒸气的方法不能使用。

更加通用的、用于为更大的原子种类范围产生可捕获原子的原子蒸气的方法还包括在烘箱中或分配器中加热所需原子种类的大样，从而产生必要的热能以使材料蒸发或升华至真空室中。然而，由于烘箱固有地产生热量，使用带有冷原子装置的烘箱本质上是有问题的，而且为了分隔热源(及随之产生的背景辐射)和装置中需要低温的部分，可能会导致装置体积变大。以原子钟为例，热量可以产生原子线的相关偏移，并因此产生时钟或频率输出的相关偏移。因此，利用烘箱产生原子蒸气的光学时钟往往相对较大，并且它们也缺乏精细控制。

如上所述，用于产生原子蒸气的已知方法可能难于控制，在执行详尽且精确的实验或工艺时，这可能被证明是特别有问题的。在现有技术中，为了解决这个问题，已知的是在通过使用光诱导原子解吸(LIAD)在多室设置中产生原子蒸气时实现更高的控制，由此，通过将光照射到真空室壁上来促使已经粘附到真空室内壁的原子解吸。在这种情况下，吸附的原子可能稀疏地或零散地分布，因此将不确定性的因素引入到该过程中，由此原子的位置和密度可能不能满足使用原子蒸气的应用的要求。然而，LIAD仅适合于和一些原子种类配合使用，并且除了用于最初产生原子蒸气的烘箱或其他装置之外，还需要中间设备，从而增加了装置的尺寸和复杂性。

对于一些冷原子装置和应用，包括光学时钟，碱土金属的原子如锶原子是可取的。目前尚未发现LIAD对这些原子是有效的。烤箱的常规使用导致背景热辐射的困难。当材料已经反应形成更稳定的化合物时，通过用热力学手段加热大样，例如金属，来产生原子蒸气的难度甚至会变得更加困难(例如，氧化锶的熔点/沸点和熔化/蒸发所需的能量显著的高于锶)。在这种材料中引起相变所需的温度非常高，将导致需要冷原子的处理系统中存在过多的热能。

除了利用冷原子的应用外，可靠且可控的特定种类的原子蒸气源可作为理想的原子热源，其中热原子至少可以用于以下示例性领域：测磁学(应用于医学领域，例如，在其中热原子可被用于进行诸如脑电图的实验的领域)；表面科学(利用发射的原子涂敷表面)；离子物理学(例如，用于离子原子碰撞物理学，在其中可以在离子-原子碰撞中测量散射截面、电荷传递截面等)；生物科学(探索碱性原子(锶、镱、镁……)与大生物分子之间的相互作用，所述大生物分子包括DNA和其他分子，这样例如锶(Sr)离子可通过将电子共享/转移到锶离子来与生物分子反应，这可能导致键或只是电荷的转移)；化学(例如，包括超冷分子在内的分子的形成和特别是针对超冷分子的量子水平上的反应的控制，)；和纳米技术(例如，在衬底上创建原子级结构，可与激光冷却技术相结合)。

原子可通过“激光烧蚀”与大样分离，其中激光指向大样本身(与用LIAD处理的吸附原子相反)。这种性质的激光烧蚀很可能产生太多热量，以使其成为产生用于激光冷却的可捕获原子的良好方法。常规的激光烧蚀技术往往导致原子形成等离子体，因此可能并不适用于所有的应用。

用于通过激光烧蚀从样品分离原子的最常见的机制是提供足够的能量以局部地加热样品，通过加热产生足够的热能来进行蒸发或升华，从而形成原子蒸气。因此，这些技术依赖于热能，并且遭受烘箱的至少一些缺点的影响。一种使用飞秒脉冲的替代的激光烧蚀技术通过电离分离原子的，产生高能量自由电子，其通过静电力将离子从样品中拉出。这类飞秒技术需要非常高功率的脉冲和脉冲之间的足够的时间间隙，这影响蒸气中原子的可控性和速度。

为了减轻根据本发明所述的上述问题和缺点中的至少一些，提供了如所附的权利要求中所要求保护的方法和装置。

附图说明

现在仅以示例性的方式描述本发明的实施例，请参照附图，其中：

图1为用于产生原子蒸气的装置的示意图；

图2为用于产生锶原子的原子蒸气的装置的示意图；

图3为用于产生和测量锶原子的原子蒸气的装置的示意图；

图4为从例如氧化物的中间化合物产生原子蒸气的方法的流程图。

具体实施方式

为了在不产生任何明显的热量的情况下产生具有特定原子种类的原子蒸气，这里描述了一种装置和方法。

图1显示了装置10，其用于生成具有特定种类20的原子蒸气。这里示出了真空室14，具有种类20的原子蒸气在其中被理想地生成。真空室14连接到一个或多个真空泵(未示出)。真空室14中的压力通过压力计(未示出)来测量。

包括将被用于产生原子蒸气20的原子种类的样品材料18被放置在真空室14中的容器16中。真空室14被抽空，直到建立起足够高的真空度。一旦真空室14内建立起足够高的真空度，就使用激光器12将光导向到样品18的表面上。确定激光器12的频率和强度，从而在使用中生成原子蒸气20。

激光器12位于真空室14外部，来自激光器12的激光通过光学上足够透明的窗口15被引导到真空室14中。当激光器12在样品材料18上照射光线时，特定种类20的原子蒸气被产生。当激光器12未在块材18上照射光时，特定种类20的原子蒸气不会被产生。产生的原子蒸气20的量是由激光器12发射的光通量的函数。通过改变入射在样品18上的光通量，可以控制所产生的原子蒸气20的量。这可以通过改变来自激光的光子的数量来控制。产生自样品的任何给定区域的蒸气的量也可以通过改变激光能量集中在样品上的总面积来改变。

为了生成原子蒸气20，来自激光器12的激光的频率高于被发现是打破样品材料18中的键所需的频率。

优选的，来自激光器12的激光在样品中产生相对小的局部热量。令人惊奇的是，已发现通过正确选择激光的频率及样品的选择和/或处理，可以用比通过加热蒸发或升华样品材料18所需的能量更少的能量来产生原子蒸气。如果激光的强度太高，该过程将被热能的产生(由于缺陷处的光子吸收，声子产生等所致的热能产生)所支配，导致样品材料18熔化和蒸发，或直接升华。这可以产生原子蒸气，但背景热辐射可能会对一些应用造成困难并导致较低的可控性。

已发现的是，产生良好结果的样品的选择和/或处理可能明显不同于将会被做出以便用来通过热提供蒸气的选择。例如，作为金属的样品材料18的金属键可能需要相对较低的热能产生原子蒸气，但是更稳定的化合物，例如氧化的金属样品材料18将通常需要较高的热能以蒸发或直接升华材料。因此，通常认为氧化的金属样品不太适合作为样品来提供金属原子的蒸气。然而，根据本发明已经发现，理想种类的中间化合物，包括具有比块体金属更高的熔点的氧化物，可能是有利的。产生较少的热能是较好的，而且产生的热能少于蒸发或升华样品材料18所需的热能，同时替代地依赖其他机制来产生原子蒸气20是可行的。相信本发明可以打破中间化合物的分子键，从而获得所需种类的原子。

装置10以源的形式连接到另一个装置(未示出)，该另一个装置可以是光学时钟、原子干涉仪或用于波色-爱因斯坦凝聚实验的装置中的一个。

现在参考图2描述上面所述的方法和装置的一个示例，其涉及锶原子蒸气的生成。锶原子蒸气可以用作光学时钟、原子干涉仪的一部分，或作为波色-爱因斯坦凝聚实验的一部分(未示出)。

图2显示了用于生成锶的原子蒸气39的装置30。这里显示了真空室14，锶的原子蒸气39依照预期地被成在其中。

制备包含锶的大样38，并将其插入真空室14中。为制备样品38，将纯锶置于空气中氧化，形成一层氧化锶，然后再放置于真空室14中的坩埚36中。典型的锶的大样为一块锶颗粒(99％微量金属基点，浸油)，具有几立方毫米的数量级。用包括丙酮和异丙醇在内的溶剂清洗锶，以去除油膜。随后，将锶暴露于空气中数小时，使其反应形成一层氧化锶。该氧化锶被置于真空室14中，与纯锶金属比较时，该氧化锶对于肉眼可能呈现出不同的颜色。

将真空室14抽空，直到建立足够高的真空度。10^-8毫巴的数量级的真空度或更好的真空度是适宜的。一旦真空室14中建立起足够高的真空度，就使用激光二极管32来辐照氧化的锶大样38的表面。该激光二极管32位于真空室14外部，距离氧化的锶大样38约10cm距离，并且光通过光学上足够透明的窗口15被引导到真空室14中。激光二极管32发出的激光被通过透镜22聚焦到氧化的锶大样38上。当激光二极管32将光照射在块体材料18上时，当激光束强度足够时，即产生锶的原子蒸气39。当激光二极管32不将光照射在块体材料38上时，或激光强度不足时，不会产生锶的原子蒸气39。所产生的原子蒸气39的量是激光二极管32发出的光通量的函数。所产生的原子蒸气39的量可通过改变照射在大样38上的激光器12的功率来控制。

激光二极管32产生405nm波长的光。可替代的，其他波长的光也可以被用来实现相同的效果。尤其地，不同波长可以用于不同的样品材料。

透镜22为丙烯酸透镜，具有4mm的焦距。透镜22放置于真空室14外部，但比激光器12更靠近样品18。激光器12生成直径约2mm的光束，用所述透镜将激光聚焦到尺寸约50-100微米的光斑上。采用透镜以此方式聚焦，可自合适尺寸区域产生适宜强度的蒸气，从而可以控制和优化蒸气的速率，但透镜和聚焦步骤对于产生蒸气并非必需的。在其他实施例中，透镜22由用于以可用方式聚焦激光束的任何合适材料制成。

如图2所示，激光二极管32位于真空室14外部，从而给激光二极管32提供路径，以便于以产生原子蒸气39所必需的方式来定位和排列该激光二极管及其产生的光。然而，备选的，激光二极管32也可位于真空室14内部，从而减少通过光学窗口的任何衰减，允许激光二极管可更直接的定位于大样39的旁边。

激光二极管32发出的光的强度可通过改变激光二极管32的激光功率和脉冲持续时间来控制。在大约7mW至70mW范围内的激光功率可提供良好的结果，并且通常地，使用10mW数量级的激光功率以生成可控量的锶原子。可以使用连续波激光器12，其相对于脉冲激光器更为有利。

可以调整氧化的锶大样38、透镜22和激光二极管32之间的距离，以便将锶的原子蒸气39从样品给定区域生成的效率最大化。

可以使用锶以外的不同金属，例如铍、镁、钙、钡或镭(碱土金属)，镱或碱金属，从而生成包含碱土金属、镱或碱金属的不同的原子蒸气39。样品材料38可以是该等金属或土金属的氧化物或氢氧化物。

在上述参考图2的实施例中，描述了包含锶的大样38。然而，如上所述，样品材料38可以为金属或土金属的氧化物。为了产生更连续和/或稳定的锶发射物，选用氧化锶粉末作为样品材料38可能是有益的。在一种有效的方法中，可通过将氧化锶粉末与丙酮混合形成糊剂来制备氧化锶样品。随后将该糊剂在盘中干燥，产生薄膜。由于在正常环境条件下，丙酮可快速从其液态蒸发到其气态，因而选用丙酮作为溶剂，使得干粉薄膜在盘中形成，随后该薄膜被置于真空中，在那里它随后被以激光进行辐照。因此，在随后将氧化锶粉末引入真空室14之前，残留的氧化锶粉末薄膜是不含丙酮的。

为了制造糊剂，可以使用体积比约1:1的丙酮和锶来制备糊剂。使用约100mg氧化锶覆盖约5cm²的表面，提供一层氧化锶薄层，已发现该氧化锶薄层可提供特别一致的由后续激光诱导的锶蒸发。

氧化锶粉末，例如阿法埃莎88220级产品适合于上述方法的目的。该氧化锶粉末粒径为100目。可选的，使用装置例如研杵和研钵研磨该氧化锶粉末，以进一步降低粒度。因此，可以最佳地在约5至150微米的尺度范围内提供该氧化锶粉末颗粒。然而，也可以提供其他的氧化锶颗粒尺寸来产生类似的效果。

虽然丙酮可以作为溶剂以产生用于形成氧化锶粉末薄层的糊剂，但其他的溶剂也可以使用。优选的，溶剂在样品被引入真空室之前被去除，从而避免真空设备被溶剂污染。通过将糊剂留存在环境条件下，溶剂可以从糊剂中被去除；在所述环境中周围的温度会导致溶剂在室温下蒸发从而被从糊剂中被移除，留下残余的、干燥的粉状薄膜。通过改变溶剂，用于从糊剂中去除溶剂的参数也将变化，例如，在将干燥的粉状薄膜引入真空室，在那里将所述干燥的薄膜用激光辐照之前，可能需要不同的环境温度或方法来从糊剂中去除溶剂。

制备样品材料38的薄层的方法可以应用于不同于锶的其他金属，例如铍，镁，钙，钡或镭(碱土金属)，镱或碱金属，从而产生包括碱土金属、镱或碱金属的不同的原子蒸气39。样品材料38可以是该等金属或土金属的氧化物或氢氧化物。

图3显示了用于生成、检测及测量原子蒸气中的锶原子的装置40。此处显示的装置并不是使用原子蒸气所必需的(例如，对于光学时钟中的蒸气的使用，它就并不是必需的)，而是可以用于测量结果，并且因此也可以用于测量调整参数的效果，以获得对于任何给定的应用和/或样品材料的最适合的结果。

参考图2，描述该装置与另外两个元件的应用。

首先，用共振激光器42引导激光束通过第二光学窗口17引导进入真空室14中。共振激光束在460.8nm下工作，并且当锶原子穿过光束时，可观察到强荧光，由此证实了锶原子的存在。该共振激光束的直径为1mm量级，并具有1至5mW的功率。

其次，显示了磁光阱(MOT)44(由三条线表示，代表用于捕获锶原子的三个正交激光束)，其中MOT 44用于冷却单个锶原子。MOT44的三个激光束为功率10mW，且直径为1.5cm量级的回归反射圆偏振光束，并且该MOT44还包括具有大约35G/cm的磁场梯度的磁四级场。

使用依照图2描述的参数生产的原子锶蒸气39产生的原子具有足够低的速度(通常低于50米每秒)，从而可被MOT44捕获。当激光二极管32以高于阈值的功率辐照氧化的锶大样38时，MOT44中可检测到激光冷却的锶原子。

在另外的实施例中，共振激光器42的波长被调整为适于检测不同的原子蒸气。可用于为光学时钟装置生成原子蒸气的化合物的示例包括碱土金属的氧化物和氢氧化物。

图4是流程图S100，该流程图显示了根据本发明的一个实施例的原子蒸气生成过程的各个阶段。该方法可使用装置10、30、40来实施，这些装置在相关的前述任何附图中已被描述。

通过选择将会被用于产生原子蒸气的材料，该方法从的步骤S102开始。正是这些特定种类的材料被期望以原子蒸气形式来被生产。该将要使用的材料可以是具有在室温下不足以产生原子蒸气的蒸气压力的材料，例如金属。

在步骤S104，材料被处理以形成中间化合物。例如，金属可以被氧化，或者置于有助于产生中间化合物的环境(气体环境/温度)下，该中间化合物包含形成原子蒸气所必需的特定种类。所述的处理，例如金属的氧化，可以通过将金属暴露在空气中或通过在空气中将金属加热的方法来促成。处理材料直至产生足够量的氧化的样品以生产足够量的原子蒸气用于后续的应用。一旦制备了材料，该过程移动到步骤S106。

在步骤S106，样品化合物被置于超高真空室中，该超高真空室被抽空直至达到足够的压力。然后在步骤S108，可以用激光束辐照该化合物样品。

在步骤S108，以激光辐照化合物使得化合物的键断裂，并释放特定种类的原子蒸气中的原子。当所需特定种类的分压不足以在通常的不加热样品的情况下产生特定种类的原子蒸气时，该方法特别有利。

优选的，在步骤S104，产生原子蒸气所需的特定种类的纯的材料被处理。然而，在其他实施例中，可以省略该步骤，以原子蒸气形式存在的、包含所需的特定种类的适合的化合物可以被直接制备或提供，并且在步骤S106被置于真空室中。例如，如图2所描述的，样品材料38的薄层粉末，如氧化锶粉末，可在制备后再被引入真空室。

优选的，被处理以形成中间化合物的样品为锶，然而也可使用其他金属，例如镱、碱土金属或碱金属。优选的，中间化合物为氧化锶，然而也可以使用其他金属的氧化物或氢氧化物，包括碱土金属和碱金属的氧化物和氢氧化物。优选的，样品的处理包括将锶暴露于空气中，然而也可以使用产生中间化合物的其它方法，例如在特定气体环境中加热样品，或将样品暴露于特定的化学品或化合物中。