专利名称：一种冷原子束产生方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷原子束发生器，尤其能为原子干涉仪提供单色性良好的冷原子束产生方法和发生装置。
背景技术：
用于原子干涉仪的原子束主要有两种形式热原子束和冷原子束。热原子束原子干涉仪采用的原子束的纵向速度较大(纵向速度即原子束前进方向上的运动速度，通常＞200m/s)，但针对原子干涉仪对良好信噪比以及检测精度的要求，根据Sagnac效应，利用冷原子束(速度＜30m/s)可以显著提高原子干涉仪的性能，因此非常有必要开发连续的冷原子束。自从70年代后期以来，人们利用光场对中性原子的辐射压力作用，采用激光对原子进行冷却(降低速度)，把原子从每秒数百米甚至上千米的速度降低到每秒数厘米到数十米的速度，并进而对原子进行捕获。经冷却和捕获得到的冷原子云团获得了很多意义深远的实际和理论应用，如原子频标、原子钟、原子干涉、玻色-爱因斯坦凝聚等。
目前，在原子干涉仪中采用的冷原子形式主要有三种方法(1)光学粘胶形成原子喷泉的冷原子束，如文献1M.Kasevich，S.Chu，Phys.Rev.Lett.，1991，67181-184)中所记载的。
(2)相反方向激光作用于塞曼(Zeeman)线圈中热原子束而减速得到的冷原子束，如文献2W.D.Phillips，J.V.Prodan，H.J.Metcalf，J.Opt.Soc.Am.B，1985，2(11)1751-1767；W.DeGraffenreid，J.Ramirez-Serran，Y.-M.Liu，J.Weiner，Rev.Sci.Instrum.，2000，71(10)3668-3676)中所记载的。
(3)采用了二维磁光阱(磁光阱以下简称MOT)冷却与捕获原子的形式，然后在与二维MOT正交的方向上形成一对不平衡的激光从而把捕获住的冷原子云团沿不平衡激光束方向上推射出去形成一冷原子束，如文献3K.Dieckmann，R.J.C.Spreeuw，M.Weidemuller et al.，Phys.Rev.A，1998，58(5)3891-3895)中所记载的。
对于第一种获得冷原子束的方法，得到的冷原子束纵向速度(纵向速度即原子束前进方向上的速度)很低，纵向速度分布也很窄，具有良好的光学特性。但与之相应的装置其光学系统复杂，操作技巧要求高，而且仅适合于重力方向上(即竖直方向上)的原子干涉，原子通量也低；第二种方法中由于要使用Zeeman线圈，其体积庞大，线圈电流较大，需要采用冷却水。虽然获得的冷原子束通量较大，不过获得的冷原子束横向速度较大，对原子干涉带来较大的背景噪声。第三种方法的二维MOT中采用了四根载流导线形成的四极磁场对原子进行了压缩，但在原子出射出二维MOT形成原子束后，由于失去了横向势场的束缚，原子束在飞行中横向上易于发热膨胀，给后续原子干涉的原子分波和干涉带来困难并极大引入了背景噪声，同时有效原子通量也偏低。
当然，现有采用这三种方法获得的冷原子束除了可用于原子干涉仪外，还可用于如下领域给MOT加载原子，研究原子碰撞，原子光谱等等。
因此，要搭建性能良好、结构紧凑的原子干涉仪，需要从冷原子束的光学特性，即纵向速度及分布和横向速度(横向速度即与纵向速度方向正交的速度)及分布，原子束通量，原子束源系统结构上进行考虑，而且为了原子束的有效分波和提高信噪比，需要克服原子束中的原子处于不同态的困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有获得冷原子束的方法和相应装置对于原子干涉的应用存在的以下不足(1)横向速度较大，原子通量偏低；(2)获得的冷原子束不能同时具备原子纵向速度低、纵向速度分窄、通量较大的要求，所以应用于原子干涉仪受到了限制；(3)产生冷原子束的装置结构交复杂，体积较大；(4)冷原子束中原子所处的内部能态不一致，有必要进行态制备使处于同一态；从而提供一种搭建高精度原子干涉仪用的光学特性良好、通量较大、态一致、结构紧凑、性能稳定的冷原子束发生装置和方法。
本发明的目的是这样实现的本发明提供冷原子束产生方法，包括以下步骤1.首先将真空室抽真空至真空度不低于10-7Pa；
2.加热通过发兰连接在真空室上的热原子源，在真空室中形成原子蒸汽气氛，热原子蒸汽充满真空室16，在真空室中形成相应的原子饱和蒸汽压气氛；3.在步骤2形成的原子蒸汽气氛中，采用三维MOT对热原子进行冷却，冷却到200μk以下，并被捕获形成冷原子云团；4.利用本发明提供的不对称的三维磁光阱中一激光束方向上安置有开小孔的四分之一波片反射镜，而使得在该方向上激光辐射压力不平衡，使冷原子沿此方向出射；在冷原子束出射方向上，还置有载有电流方向相反的四根成锥形排列的直导线，从而原子出射时将在磁场的作用下，不会沿横向膨胀而向前射出；这样，便得到了出射速度低的、通量较大的、横向速度非常小的连续冷原子束；5.同时，在冷原子束的出射方向上，设置有与原子束垂直的激光束，用于原子束的态制备，实现态一致的出射冷原子束。这里所涉及的激光束均由同一激光器输出，然后经分光并经声光调制器调制后获得。
本发明提供的冷原子束产生装置，包括真空室和设置在真空室外和内的光路系统；其中真空室16上设置有石英玻璃窗14、17、18、19、21、22、23、26、27、30，石英玻璃窗17与石英玻璃窗22相对，石英玻璃窗26与石英玻璃窗30相对，并且这两对石英玻璃窗相互正交；石英玻璃窗19与石英玻璃窗27相对，并与石英玻璃窗18正交；石英玻璃窗14、17、22、26、30用于形成三维MOT，石英玻璃窗18用于原子束的态制备，还包括石英玻璃窗21、23、19、27用作观察窗或功能扩展窗；真空室16内壁上开有2个槽，槽内设有固定卡箍29和31，磁导引直导线12通过固定卡箍29和31安装在真空室16内壁上，并形成锥形排列；而锥形磁导引直导线12的一端则从真空室16内通过接线柱15与外面的电源相连；另外，1/4波片反射镜9置于真空室16内的1/4波片反射镜固定卡箍28上。反亥姆霍茨线圈6套在真空室外，并且该反亥姆霍茨线圈6的中心处于真空室石英玻璃窗17与相对的22，和石英玻璃窗26与相对的30形成的正交中心重合的位置上。
所述的光路系统包括第一激光器32输出光的前方光路上设置有声光调制器37、1/4波片36和扩束准直器35以及一分光镜4，经分光后形成三束激光，这三束激光在空间相互正交；然后这三束激光束经后分别通过石英玻璃窗14、石英玻璃窗17和石英玻璃窗26入射进真空室16，其中两束激光通过石英玻璃窗22和30出射后，再经与之垂直的一反射镜38、41反射后分别形成两对光束；而另外一束激光，即水平方向上的那一束非平衡MOT激光束10，经石英玻璃窗14沿真空室轴线入射入真空室16，并在前进方向上被与之垂直的中心带有φ1-2mm小孔的1/4波片反射镜9反射。这样，形成了六束正交激光束，其正交中心与石英玻璃窗17、22、26、30形成的正交中心重合。另外，由第二激光器33发出的再泵浦激光束34，通过一反射镜合并入激光器32产生的任一束激光中，用于MOT冷却原子的再泵浦激光。于是，加上置于真空室外的反亥姆霍茨线圈6，共同形成了一三维MOT。另外，用于态制备的从第一个激光器发出的激光束13经石英玻璃窗入射。形成本发明的三维MOT的光路系统和态制备激光束，除了激光束34外，所有光束均由激光器32提供。
在上述的技术方案中，还包括在真空室腔壁上通过法兰设置用作观察窗或功能扩展窗的石英玻璃窗21、23、19、27，其中石英玻璃窗17与22相对，石英玻璃窗26与30相对，并且这两对相互正交。
在上述的技术方案中，为了改善光束频率、偏振性质和光斑质量，还包括在分光镜4前设置有声光调制器37、1/4波片36和扩束准直器35，以及为了改变经分光镜4后光的传播方向，在传播光路上根据需要设置与激光束成45°的反射镜3、3′、3″。
在上述的技术方案中，所述的四分之一波片反射镜上所开的的小孔孔径为φ1-2mm。
在上述的技术方案中，所述的卡箍29、31和28由陶瓷做成的，卡箍29和31的直径可调，磁导引直导线12的一头安装在卡箍29，另一头安装在卡箍31上，并且卡箍29和卡箍31的直径一大一小形成磁导引直导线12的锥形排列。
在上述的技术方案中，所述的磁导引直导线12至少为4根。
在上述的技术方案中，所述的法兰均选用标准法兰。
本发明提供的冷原子束的发生装置的原子蒸汽室中，通过一个不对称的三维MOT，对原子进行冷却并被捕获形成冷原子云团，原子云团在该三维MOT的某一对激光束方向上放置带有小孔(φ1-2mm)的四分之一波片反射镜，因为小孔的存在使该方向上的对原子的激光辐射压力不平衡，从而把捕获住的原子云团推射出形成冷原子束。冷原子束在出射过程中，在与小孔同轴线的方向上置有四根成锥形排列的直导线对出射原子束进行横向压缩导引，并最终用具有特殊频率的激光对出射过来的冷原子束进行态制备，从而可以获得光学特性良好的连续冷原子束。本发明的冷原子束源所能达到的主要技术指标如下原子纵向速度＜30m/s，纵向速度分布＜5m/s，横向速度＜10cm/s，原子束通量＞108/s数量级，整个冷原子束源系统的真空度不低于10-7Pa。该冷原子束光学特性良好，具有很强的相干性，能很好地应用于原子干涉仪、原子钟和原子频标等诸多领域。
本发明的有益效果是，应用本发明的装置可以获得速度低、光学特性良好、通量较大、态一致连续的冷原子束，该原子束不仅能很好的应用于原子干涉仪，还可在原子光学研究中获得实际应用。该冷原子束发生装置结构合理、紧凑、性能稳定可靠。
图1是本发明冷原子束发生装置的结构示意2是本发明冷原子束发生装置的原理示意3(a)是本发明冷原子束发生装置的真空室的主视3(b)是本发明冷原子束发生装置的真空室的俯视面说明1、热原子源；2、热原子蒸汽；3、3′、3″、反射镜；4、分光镜； 5、MOT激光束； 6、反亥姆霍茨线圈；7、小孔；8、冷原子束； 9、1/4波片反射镜；10、非平衡MOT激光束；11、冷原子云团； 12、磁导引直导线；13、态制备激光束； 14、石英玻璃窗； 15、接线柱；16、真空室； 17、石英玻璃窗； 18、石英玻璃窗；19、石英玻璃窗； 20、真空离子泵接口； 21、石英玻璃窗；22、石英玻璃窗； 23、石英玻璃窗； 24、热Rb原子源接口；25、真空分子泵接口； 26、石英玻璃窗； 27、石英玻璃窗；28、1/4波片反射镜固定卡箍； 29、锥形磁导引直导线固定卡箍；30、石英玻璃窗；31、锥形磁导引直导线固定卡箍；32、第一激光器； 33、第二激光器； 34、激光束；35、扩束准直器； 36、1/4波片； 37、声光调制器37；38、反射镜； 40、1/4波片； 41、反射镜；具体实施方式
实施例1
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明的冷原子束发生装置和方法。
参考图3(a)和图3(b)，制作一冷原子束产生装置，包括真空室和光路系统。
采用不锈钢材料制成的真空室16上焊接有封装了石英玻璃窗14、17、18、19、21、22、23、26、27、30的发兰，其中石英玻璃窗17与22相对，石英玻璃窗26与30相对，而且这两对石英玻璃窗相互正交设置在真空室16壁上；石英玻璃窗19与27相对，并与石英玻璃窗18正交。在真空室16内离左端面70mm、305mm和320mm位置处开有槽，每一个槽内安装一陶瓷做成的卡箍29、31和28，卡箍29和31的直径可调，磁导引直导线12的一头安装在卡箍29，另一头安装在卡箍31上，并且卡箍29和卡箍31的直径一大一小形成磁导引直导线12的锥形排列；带有孔径为φ1-2mm小孔的1/4波片反射镜9安放在陶瓷做成的卡箍28上。磁导引直导线12采用通常的真空导电材料制成的。磁导引直导线12的一端则从真空室内通过接线柱15与外面的电源相连。采用一常规的反亥姆霍茨线圈6套在真空室外，该反亥姆霍茨线圈6的中心同石英玻璃窗17与相对的22，和石英玻璃窗26与相对的30形成的正交中心重合。装置中的所有法兰均选用CF25或CF35标准法兰。焊接在真空室上的石英玻璃窗19、21、23和27均为观察窗口或功能扩展窗。
参考图1和2，并结合图3(a)、3(b)，冷原子束产生装置的光路系统实现如下形成本发明的三维MOT的光路系统和态制备激光束，除了激光束34外，所有光束均由第一激光器32提供，该第一激光器32采用功率为400mW的半导体激光器。三维MOT系统的光路如下激光器32输出光的前方光路上设置一分光镜4，经分光后形成三束激光，这三束激光在空间相互正交。每束激光前方根据需要设置与激光束成一定角度(如30°、45°、60°等等，以改变激光束传播方向)的反射镜3、3′、3″以改变传播方向。然后这三束激光束再从激光器出来经分光镜4分光前要首先通过经声光调制器37、1/4波片36和扩束准直器35后通过石英玻璃窗14、17和26入射进真空室，其中两束通过石英玻璃窗22和30出射后，再经与之垂直的反射镜38、41沿出射方向反射；而另外一束，即水平方向上的那一束非平衡MOT激光束10，经石英玻璃窗14沿真空室轴线入射入真空室，并在前进方向上被与之垂直的1/4波片反射镜9反射。这样，形成了六束正交激光束，其正交中心与石英玻璃窗17、22、26、30形成的正交中心重合。另外，由第二个小功率半导体激光器33(功率为100mW)发出的再泵浦激光束34合并入激光器32产生的一束激光中，用于MOT冷却原子的再泵浦激光。于是，加上置于真空室外的反亥姆霍茨线圈6，共同形成一三维MOT。另外，用于态制备的激光束同样由第一个激光器发出，所输出的激光束13经石英玻璃窗18入射。
实施例2下面在实施例1的装置上，和以热原子源为铷(Rb)原子，进一步详细说明本发明冷原子束产生的方法。
参考图1，由热Rb原子源1产生的热Rb原子蒸汽2首先充满真空室16，在真空室中形成Rb原子的饱和蒸汽压气氛。然后在一实施例1的装置上进行，实施例1的三维MOT的作用下热Rb原子气氛中的原子被冷却并被捕获形成冷原子云团11。该三维MOT采用下述方式形成由激光器发出的激光束经分光镜4分光后，分别形成三束正交的、功率大小相等的激光束；其中一束激光经1/4波片转换成圆偏振激光束5，若此激光束为σ+，则在前进方向上再经1/4波片和反射镜后与激光束5形成三维MOT的一对激光，另一对与此相同；三对三维MOT激光束中水平方向上的为非平衡激光束10，该激光束通过在1/4波片反射镜上开有小孔7从而获得。这样，这三对相互正交的激光束和合并入某束激光束的再泵浦激光束以及反亥姆霍茨线圈6形成一本发明的三维MOT。由于非平衡激光束10的作用，使得冷原子云团11受到不平衡光场辐射压力的作用，而把冷原子云团的部分原子沿水平方向从小孔7推射出去，形成一冷原子束8。
下面结合附图进一步说明冷原子束产生方法的实施原理。如图2，形成的冷原子束在前进过程中的这段距离内，采用锥形磁导引直导线12形成的四极磁场对原子束进行横向压缩和导引。经磁压缩导引后从小孔7出射的冷原子束，再经过与冷原子束垂直的态制备激光束13作用后完成冷原子束的态制备。于是，便获得了低纵向速度(这里为沿水平方向)和纵向速度分布、很小横向速度、通量较大、态一致的连续冷原子束。以Rb原子为例，某次实验得到的冷原子束指标如下纵向速度为24.5m/s，纵向速度分布为5.5m/s，横向速度为8cm/s，原子束通量为1.01×109/s，原子束中处于52S1/2(F＝1)态的原子占93％。
权利要求
1.一种冷原子束产生装置，包括真空室，和设置在真空室内和外的、由激光器，分光镜，反射镜和1/4波片反射镜组成的光路系统；其中真空室16上设置有石英玻璃窗(14)、(17)、(18)、(19)、(21)、(22)、(23)、(26)、(27)、(30)，石英玻璃窗(17)与石英玻璃窗(22)相对，石英玻璃窗(26)与石英玻璃窗(30)相对，并且这两对石英玻璃窗相互正交；石英玻璃窗(19)与石英玻璃窗(27)相对，并与石英玻璃窗(18)正交；其特征在于真空室(16)内壁上开有2个槽，槽内设有固定卡箍(29)和(31)，磁导引直导线(12)通过固定卡箍(29)和(31)安装在真空室(16)内壁上，并形成锥形排列；其中磁导引直导线(12)的一端通过真空室壁上的接线柱(15)，从真空室(16)穿出与外面的电源相连；另外，1/4波片反射镜(9)置于真空室(16)内的固定卡箍(28)上；反亥姆霍茨线圈(6)套在真空室外，该反亥姆霍茨线圈(6)的中心处于真空室石英玻璃窗(17)与相对的(22)，和石英玻璃窗(26)与相对的(30)形成的正交中心重合的位置上；所述的光路系统包括第一激光器32输出光的前方光路上设置一分光镜(4)，经分光后形成三束激光，该三束激光在空间相互正交；然后这三束激光束经声光调制器(37)、1/4波片(36)和扩束准直器(35)后分别通过石英玻璃窗(14)、石英玻璃窗(17)和石英玻璃窗(26)入射进真空室(16)，其中两束激光通过石英玻璃窗(22)和(30)出射后，再经与之垂直的一反射镜(38)、(41)反射；另一束水平方向上的非平衡MOT激光束(10)，经石英玻璃窗14沿真空室轴线入射进入真空室(16)，并在前进方向上被与之垂直的中心带有φ1-2mm小孔的1/4波片反射镜(9)反射，这样便形成了六束正交激光束，其正交中心与石英玻璃窗(17)、(22)、(26)、(30)形成的正交中心重合；另外，第二激光器(33)发出的再泵浦激光束(34)，通过一反射镜合并入激光器(32)产生的任一束激光中，用于MOT冷却原子的再泵浦激光；同时，由第一激光器还要引出态制备激光束(13)。
2.按权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于还包括在真空室腔壁上通过法兰设置用作观察窗或功能扩展窗的石英玻璃窗(21)、(23)、(19)、(27)，其中石英玻璃窗(17)与(22)相对，石英玻璃窗(26)与(30)相对，并且这两对相互正交。
3.按权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于还包括在分光后的每束激光的光路上根据需要设置与激光束成45°的反射镜3、3′、3″。
4.按权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于所述的四分之一波片反射镜上所开的的小孔孔径为φ1-2mm。
5.按权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于所述的卡箍(29)、(31)和(28)由陶瓷做成的，卡箍(29)和(31)的直径可调，磁导引直导线(12)的一头安装在卡箍(29)，另一头安装在卡箍(31)上，并且卡箍(29)和卡箍(31)的直径一大一小形成磁导引直导线(12)的锥形排列。
6.按权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于所述的磁导引直导线(12)至少为4根。
7.按权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于所述的法兰均选用标准法兰。
8.一种应用权利要求1所述的冷原子束产生装置进行冷原子束产生的方法，包括以下步骤1)首先将真空室抽真空至真空度不低于10-7Pa；2)加热真空室内的热原子源，在真空室中形成原子蒸汽气氛，形成相应的原子饱和蒸汽压气氛；3)在步骤2)形成的原子蒸汽气氛中，采用三维MOT对热原子进行冷却，冷却到200μk以下，并被捕获形成冷原子云团；4)利用三维MOT中一激光束方向上置有开有小孔的四分之一波片反射镜，而使得在该方向上激光辐射压力不平衡使冷原子沿此方向出射；在冷原子束出射方向上，还置有载有电流方向彼此相反的四根成锥形排列的直导线，原子出射时将在磁场的作用不会沿横向膨胀而向前射出；便得到了出射速度低的、通量较大的、横向速度非常小的连续冷原子束；5)同时，在冷原子束的出射方向上，设置有与原子束垂直的另一激光器输出的激光束，用于原子束的态制备，实现态一致的出射冷原子束。
全文摘要
本发明涉及一种冷原子束产生方法和装置，该方法包括在抽真空的真空室内，加热热原子源，在真空室中形成相应的原子饱和蒸汽压气氛；采用三维MOT对热原子进行冷却，冷却到200μk以下，并被捕获形成冷原子云团；通过三维MOT中开小孔的四分之一波片反射镜，而使得在该方向上激光辐射压力不平衡，使冷原子沿此方向出射；在冷原子束出射方向上，还置有载有彼此电流方向相反的四根成锥形排列的直导线，从而原子出射时将在磁场的作用下，不会沿横向膨胀而向前射出；便得到了出射速度低的、通量较大的、横向速度非常小的连续冷原子束；同时在冷原子束的出射方向上，设置有与原子束垂直的激光束，用于原子束的态制备，实现态一致的出射冷原子束。
文档编号H05H3/00GK1784109SQ20041009660
公开日2006年6月7日 申请日期2004年12月2日 优先权日2004年12月2日
发明者周兆英, 唐兴伦, 朱荣, 冯焱颖, 杨兴 申请人:清华大学