塞曼减速仪、用于塞曼减速仪器件的线圈和用于冷却原子束的方法

专利名称：塞曼减速仪、用于塞曼减速仪器件的线圈和用于冷却原子束的方法
技术领域：
本发明涉及塞曼减速仪(Zeeman- slower)、布置在塞曼减速仪器 件中的线圈以及用于冷却原子束的方法。
背景技术：
塞曼减速仪包括产生纵向减少磁场的线圈和降低原子的纵向速度 的激光。这种效应还称为激光冷却。为了降低原子的横向速度，处于线 圈下游的另外的激光器件在一个或两个横向方向上降低了原子的横向 速度，从而提供原子束的横向准直。YoshiteruKondo等人在应用物理曰 文期刊(Japanese Journal of applied physics )第36巻第1部分第2期第 905 - 909页上发表的公开文献"Influence of the magnetic field gradient on the extraction of slow sodium atoms outside the solenoid in the Zeeman-slower"中，描述了 一种用于冷却原子束的冷却装置，其中塞曼 减速仪提供了纵向减速。在布置在螺线圈或线圏下游的第二级(stage) 中，在横向上对原子进行减速。
在已知激光冷却装置中，使用了至少两个分离的激光冷却装备，一 个用于纵向冷却， 一个用于横向冷却，它们都必须与原子束对齐。加热 室(oven)产生热原子束，该热原子束在第一线圈中被纵向减速。在第 一纵向减速之后，执行横向减速。然而，仅仅与第一线圈的通道相匹配 的方向的原子能够进一步被第二线圈减速。这限制了由塞曼减速仪提供 的原子通量，从而导致了如果用于沉积的话较长处理间隔。因此，本发 明的目的是提供允许较高原子通量的塞曼减速仪。

发明内容
这个目的是通过权利要求1的塞曼减速仪、权利要求12的线圈、权利要求13的用于冷却原子束的方法来解决。
权利要求1的塞曼减速仪具有冷却部分，冷却部分包括沿纵轴延伸 的内部通道，内部通道具有与纵轴垂直的横截面。依据本发明，至少在 冷却部分中内部通道的对黄截面的面积沿纵轴单调增加。在本发明的意 思中"单调，，增加既覆盖"严格单调"增加，即在沿纵轴行进时真正的 增加横截面积，而没有任何恒定的横截面积，和一般的单调增加以及更 宽意义上的单调增加，即覆盖两个部分，严格增加，但是或许在沿着纵 轴的某面积或区域处横截面的面积保持恒定。
在本发明的意思中"内部通道"必须被理解为由线圏的内侧所围绕
的完整物理空间。另外，磁场的纵向分量是沿着内部通道的纵轴L的磁 场的分量。
沿冷却部分的该延伸通道考虑了由加热室所发射的原子束的延伸。 沿纵轴从输入端开始至输出端的通道的单调增加确保了 与纵轴不同方 向的原子也能够对通量作出贡献。由于加热室在任意方向发射原子，因 此在塞曼减速仪的输出处提供了较大数目的原子。具体地，通过象现有 技术的塞曼减速仪的通道的内部表面，在与纵轴倾斜的方向上传送的原 子没有被停止。而是，能够提供具有更大输出直径的射束，从而带来更 高的通量。
优选地，冷却部分沿纵轴从输入端延伸到输出端，其中在输出端处 横截面的面积为输入端处横截面的面积的至少120%,从而允许总通量 的相当大的增加。
在一个实施例中，内部通道的横截面具有圆形形状，简化了线圏的 构造。有利地，塞曼减速仪包括围绕内部通道的线圏，以在纵轴方向提 供内部通道中的i兹场，其中》兹场沿纵轴单调减少，以及在垂直纵轴的平 面中在冷却部分中基本上是匀质的。这样的磁场在由通道所定义的整个 体积上提供了恒定的状况，从而增加了冷却性能。
在一个实施例中，塞曼减速仪包括邻近输出端且被布置成用来产生 磁场的至少 一个抽取线圈，所述》兹场基本上不同于在输出端附近在内部 通道中由围绕内部通道的线圈所产生的磁场。直接在减速仪的输出之后 的抽取线圏的布置可突然结束冷却状况，使得冷却仅仅发生在通道中且 在通道外侧受到抑制。当然，抽取线圈的磁场与布置在通道周围的线圏 的磁场相组合，使得在设计塞曼减速仪时必须考虑这两者的磁场。抽取线圈也被称为反相线圈。优选地，由抽出线圏所产生的磁场与围绕该通 道的线圈的磁场相反。
为了进一步改善冷却性能，提供了适于斜向纵轴将射到该偏转器上 的至少部分光偏转到内部通道中的偏转器。由于光线的倾斜角度在不同 于纵轴的方向提供了减速，即冷却，这导致了附加的横向冷却。这允许 了在线圏中的组合的横向和纵向冷却。横向冷却准直射束，这改善了通 量和射束密度。还有，较少的原子到达限定通道的壁，而较高比例的输 入原子到达通道的输出端。优选实施例包括在内部通道的至少部分中的 反射表面，该反射表面被布置成用来接收来自偏转器的光且倾向纵轴将 光反射到内部通道中。使用这个实施例，对通道的输出端进行照亮具有
两个效果(A)光直接碰撞原子束，从而导致纵向减速，和(B)光线 射到反射表面上并且在基本倾斜的方向被反射到原子束上，从而导致具 有相当大的横向分量的减速。因此，在通过改变的倾斜角射到输出端上 的同时， 一个光束能够同时实施纵向和横向冷却。
有利地，偏转器适于将光偏转到输出端(220)上，在输出端(230) 的横截面上产生光能量分布。该光能量分布对纵轴(L)是旋转对称的， 并且是
(A1U)在没有对纵轴(L)的偏移的情况下，负指数取决于至纵轴 (L)的距离，或者
(Alt.2 )在有对纵轴(L )的偏移的情况下，负指数取决于至纵轴(L ) 的距离，或者
(Alt3)在整个输出端(230)的横截面，基本上是恒定的。 在Alt.l中，最高强度位于中心且向通道的圆周指数减少。大量光 强度被用于纵向冷却，而仅仅小部分被反射和以倾斜角刺射。在Alt2 中，相当大的部分的光才丸行直接纵向冷却。然而，相当大的部分还净皮反 射并以倾斜的角度发射到原子束上，从而导致相当大的横向冷却分量。 负指数分布的最大值的位置还定义了沿纵轴出现最大横向减速的位置。 这种效应能够被用于将横向冷却集中在某一区域。Alt.l及Alt.2这两者 形成高斯分布，并且能够由相对应的扫描器件容易地实现。Alt.3提供匀 质的光强度，因此，沿通道的整个长度的横向减速的匀质分布。当然， 能够组合具有不同的分布的若干光源。再者， 一种光源能够提供上述分 布的组合。根据本发明，塞曼减速仪的一个实施例包括把激光束发射到偏转器 上的激光器件，该偏转器被布置成用来调制所述至少一个线圏的纵轴和 激光束之间的角度。这可以被用作光源或扫描设备，以产生上述光强度 分布。优选地，偏转器适于将光线引到输出端的横截面上，以通过覆盖 输出端的至少部分区域的光能的分布照亮输出端。
进一步地，上述的目的由具有内表面的线圈来解决，所述内表面适 于限定依据本发明的塞曼减速仪的内部通道，该内表面包括适于把光反 射到内部通道中的至少一个反射区。由塞曼减速仪定义的延伸的通道和 线圏的反射内表面的组合允许原子的高通量以及组合的横向和纵向减 速这两者。若集成在塞曼减速仪中且连接到加热室，那么这种线圈提高 了性能。
此外，上述目的通过用于冷却原子束的方法来实现，该方法包括步
骤提供磁场；把原子束发射到磁场中；将至少部分光束引到原子束上， 该方法特征在于发射原子束的步骤包括沿纵轴发射原子束，该原子束 具有在垂直于纵轴的方向上基本上沿纵轴扩展的横截面。如上所述，原 子束的扩展导致较大的体积，在该较大的体积中能够执行减速，并导致 被冷却的原子的较高产出率。优选地，该方法包括提供具有横截面的内 部通道，所述横截面沿纵轴单调增加，内部通道适于调节原子束。有利 地，原子束和/或内部通道的横截面的面积沿纵轴整个地;故扩展至少大约 20%。通过这种扩展，更多原子能够被包含在冷却体积中。该方法的优 选实施例包括提供磁场的步骤，其包括提供平行于纵轴的磁场，该磁场 具有沿纵轴减少的磁场强度，该磁场在垂直于纵轴的平面中基本上是匀 质的，该方法还包括步骤通过在倾斜于原子束的传播方向的方向上将 至少部分光束引到原子束上，在垂直于纵轴的方向提供对原子束的附加 的减速。这将横向减速分量添加给纵向减速。通过在基本从纵轴移置的 位置处，斜向原子束将至少部分光束引到原子束上能够取得相当大的横 向冷却分量。
依据本发明，这种方法被用于涂敷材料。在该方法的有利实施例中， 该方法被用于制造有机光电器件，另外包括使用依据本发明的塞曼减速 仪的实施例的步骤。
本发明的基础概念是使用延伸的原子束和塞曼冷却器，它能够调节 该射束。由于原子束是由本质上能在任意方向发射原子的加热室来产生的，所以可允许的角度的相当大的增加导致通量的强烈增加。本发明的 另 一方面将使用增加的角度把倾斜的激光束发射到冷却通道中，这提供 了横向减速分量。如果该射束在进入冷却通道之后在其移动通过通道期 间在横向上被减速，则该射束的扩展能够被显著减少。因此，使用了两 组激光束， 一组平行于纵轴， 一组倾斜于纵轴。可以使用偏转器将入射 的激光束分裂和偏转为平行激光束和倾斜的激光束，倾斜的激光束被扫 描，以通过激光束图形覆盖通道的输出，倾斜的激光束部分射在反射表 面上，所述反射表面在倾斜的方向将该激光束引入该通道中。该激光束
相对原子束是反向传播的(counter-propagating)。
当被用来产生用于涂敷过程的冷却的原子时，涂敷时间能够被减少 到常规塞曼减速仪所需要的时间的小的百分数。因此，本发明尤其致力 于产生用于涂敷敏感材料表面的、高生产量的冷却的原子，所述敏感材 料尤其是例如用于制造有机光电器件和提供具有电触点的有机LED的 有机材料。


图1显示了现有技术塞曼减速仪的示意图，其图示了单绕组的各个 圏的分布。
图2是现有技术塞曼减速仪的线圈的横截面。
图3是依据本发明的线圏的优选实施例的横截面。
图4a显示了在线圈的输出端附近图2的线圈和用于图3的线圈的
磁场的横向匀质性。图4b显示了在线圈的输出端附近图2的线圈和图3的线圏的》兹场
的横向匀质性。
图5是依据本发明的塞曼减速仪的实施例的横截面。
图6是依据本发明的塞曼减速仪的实施例的横截面，示出了原子束
以及用于一黄向和纵向减速的激光束。
图7是塞曼减速仪的实施例的横截面，示出了通道的指数扩张。
具体实施例方式
对于通过塞曼减速仪的有效冷却而言，线圏适于提供磁场分布，具有能量和波长的激光在内部通道的部分或全部的横截面上提供了原子 束的塞曼失调和多普勒失调。在冷却期间，即依据塞曼效应的减速，原 子吸收来自激光束的光子。在一定时间ti。^后，原子发射光子，但是现
在在4冗环境(environment)中的任意方向上。因为吸收光子的方向是充 分限定的，但是发射的光子的方向是任意的，所以净改变(netchange) 导致原子脉冲的改变，因此导致局部原子速度的改变。
激光提供了取决于原子类型的关于原子的"蓝调谐(blue tuning)", 所述原子被冷却。例如向较高频率调谐的约300MHz为完美数值。在实 施例中，"蓝调谐，，在1MHz和1GHz之间。
为了提供原子的减速，下面关系必须被满足
其中A为原子谐振的局部失调；Vat。m-局部原子速度；XLaser-激光 波长；iiiB-波尔磁子；h-普朗克(Planck)常数；B-局部磁场强度； △vLaser -激光失调，即以MHz为单元测量的激光频率与原子谐振的偏差， 此时激光频率为数百THz的量级。第一部分表示多普勒失调，剩余部分 表示塞曼失调。
饱和度S被给定为
其中S-饱和参数；I-局部光强度；Isat-取决于原子类型的饱和强 度；y-原子谐振的自然宽度，例如对于Ca,『34.58MHz,以及A为原 子谐振的局部失调。
4ti坏境中光子吸收和光子再发射的 一个完整循环所需的时间为
这里，i为特定原子跃迁(transition)周期，即:T = 1/2717
原子的输入速度为ca. 400 - 1400m/s。在一个实施例中，输入速度 为约1000m/s。输出目标速度为大约lm/s-300m/s。优选地，输出目标速 度为100m/s。输出目标速度取决于要被覆盖的衬底上的所希望的温度。 原子束的输出强度为约10^原子/scm2。然而，1010-1014或更高也将是所 希望和使用的。
使用4丐，谐振中通过原子的光子/吸收发射周期为4.9ns。因此，激 光的波长必须被调整且取决于磁场强度。有机或无机材料活性层涂敷有 例如由具有ca.l-80nm厚度的钙形成的层。在涂敷处理期间，要被覆 盖的材料的温度不应当大大超过RT (ca.300K),以避免任何损坏。现 有技术中具有ca.l50m/s目标速度的原子束具有温度ca.300K，因为现有 技术中原子束具有108 - 10"原子/scn^的强度及速度l-10m/s,以及若被 使用将导致30 - 50h的涂敷处理的弛豫时间(duration)以及非理想的过
的。 "。' 、、'、 -、'、'、
本发明允许原子束具有直至1012-1014原子/sec的强度，从而导致弛 豫时间减少3-4个数量级。典型地，加热室发射具有速度约1000m/s 的原子。
原子束优选由Ca、 Ag、 Cr、 Fe和Al原子形成。塞曼减速仪(在内 部通道中)中的压力优选在10"-10-Spa的范围内。
线圈的一个实施例具有在200mm和500mm之间的长度，优选约 350mm。输入直径在20-250mm之间，优选在40mm和120mm之间， 有利地为80mm。输出直径位于25mm和400mm之间，优选在40mm 和80mm之间，有利》也为约50mm。
供给线圏的电流在3A和30A之间，优选地在8和15A之间。在一 个特定实施例中，电流近似11.5A。供给线圈的功率在1和30kW之间，优 选5-20kW。在一个实施例中，供给线圏的功率为14kW。具体讲，线圏 被供给有若干kW的功率。然而，应当施加冷却，以保持围绕内部通道 的部件或壁的温度低于ll(TC。优选地，线圏包括抽取线圏(extraction coil),所述抽取线圈邻近所述输出端，并布置在纵轴周围且定位在冷 却部分外侧，用于在输出端和输出端附近保持高横向匀质性(homogeneity)。抽取线圏优选布置在线圏的输出端，且包括至少两个 线圈， 一个线圈提供沿纵轴与原子束反平行的磁通分量，另一线圏提供 沿纵轴与原子束平行的磁通分量。在图3所示的一个实施例中，线圈基 本上是同样的(除了所产生的磁场分量的方向之外)，同时产生反平行 场分量的线圈被布置在线圈的冷却部分和产生平行场分量的线圏之间。
依据本发明，线圈产生平行且具有沿纵轴减小的磁场强度的磁场， 该磁场在垂直于线圏纵轴的平面中基本上是匀质的。在沿纵轴的方向 上，原子束被引入磁场。至少部分激光束被直接引到该原子束上，并且 在倾斜于纵轴的方向上相同的激光束中的至少 一部分或另 一激光束被 引到磁场中的所述原子束上。
在优选实施例中，线圈具有适于在纵轴方向中提供磁场的至少 一个 绕组，该至少一个绕组被布置成使得磁场在整个线圈中在垂直于纵轴的 平面中在线圈内部基本上是匀质的且朝着输出端减小了 。这种场分布为 沿纵轴减少的原子速度提供了有效的纵向和横向冷却。附加地或可替代 地，线圈包括冷却部分中的至少一个绕组和输入部分中的至少另一个绕 组，从而允许对磁场的精确调整。线圏能够包括多个绕组，所述多个绕 组互相连接或由多个电流源供给。线圈的绕组能够被分成若干部分，或 者能够具有允许一个或多个电流源连接的抽头(t叩)。当被分成多个部 分时，通过调整流过多个部分的每个单个电流，能够调整所产生的磁通。 这样，能够将磁场的匀质性和纵向分布调整到所希望的特性。此外，通 过调整一个电流或多个电流或者指定的一个电源或多个电源，能够对不 匀质性进行补偿。能够使用两个激光器， 一个用于纵向冷却， 一个用于 另外的横向冷却分量。横向冷却分量取决于倾斜的激光束和原子束之间 的倾斜角。
可替换地，能够使用一个激光束，其被分为两个射束，例如通过偏 转器或另外的射束分裂器。如上所述，该射束被分别用于纵向冷却和另 外的横向冷却。
关于原子束，发射的激光束的至少一部分反向传播，从而导致纵向减少。
在一个实施例中，偏转装置同轴于纵轴地偏转至少部分激光束和把 至少部分激光束偏转在偏转器或反射器上。优选地，偏转装置在两个不 同的方向上偏转，或者在另一实施例中，在与纵轴垂直的第一方向和第二方向上偏转。有利地，两个不同方向相互垂直，或者第一方向垂直第
二方向，从而导致笛卡尔定向。该偏转装置能够包括2D声光 (2D-acousto-叩tical)调制器，用于在均斜向纵轴的两个不同的方向上偏 转至少部分激光束。在另一实施例中，偏转装置包括用于在第一方向偏 转至少部分激光束的第一 1D声光调制器，以及用于在不同于第一方向 的第二方向偏转至少部分激光束的第二 1D声光调制器，第一和第二方 向倾斜于线圏或通道的纵轴。
依据本发明，激光器和偏转装置被提供用来产生某光强度或光能量 分布，其被投射在通道的输出端上。可替换地，光能量分布能够是高斯 或更高阶高斯分布，从而在中心处具有一个最大值，即在纵轴上，或者 能够具有距中心的最大移置(displaced)或偏移，类似于环形射束的横 截面(不同阶的拉各朗日-高斯才莫型)。优选地，能量分布是均匀的。 然而，非均匀的分布能够具有较少复杂激光器/偏转器组合。照亮输出端 的的光能量的分布优选覆盖输出端的全部区域。可替换地，中心区域的 相当大部分被覆盖，优选为围绕纵轴的区域的40%、 70%或80%。在 一个实施例中，光能量被集中在同心地环绕该中心的环上，这是从中心 移置的高斯分布的情况，该中心位于纵轴上。
在一个实施例中，塞曼减速仪器件的偏转装置包括2D声光调制器，
或者可替换地,5包括;于在第一方向偏转至少部分激光束4第一 1D声 光调制器和用于在不同于第一方向的第二方向偏转至少部分激光束的 第二1D声光调制器，第一和第二方向倾向纵轴。声光调制器通过电信 号提供对偏转方向的简单且快速的控制。
在这个实施例中，该两个不同的方向或第一方向和第二方向优选垂 直于纵轴。可替换地，两个不同的方向互相垂直，或者第一方向垂直于 第二方向。这种几何结构形成笛卡尔坐标系(cartesian system),其允 许对由偏转装置提供的偏转方向的简化控制。
对于控制偏转装置而言，能够使用适合于被连接到该偏转装置的控 制器件，该控制器件至少提供第一信号和第二信号，均具有使得至少部 分激光束被分布在至少部分偏转器上的振幅和频率。
在 一 个实施例中，依据本发明的塞曼减速仪器件进 一 步包括控制偏 转装置的控制器件，该控制器件提供至少第一信号和第二信号，均具有使得至少部分激光束被分布在至少部分偏转器上的振幅和频率。电控制 使得精确偏转得以实现，这能够通过常规电子控制装置来提供。
优选地，第一信号是具有第一振幅和第一频率的第一正弦波，第二 信号是具有第二振幅和第二频率的第二正弦波，偏转装置在垂直于纵轴
的平面中提供利萨如图形(Lissajous-figure)。因此，能够控制振幅和 频率，以提供至少部分激光束的不同的形式和分布。
在优选实施例中，控制偏转装置的第一信号是具有第一振幅和第一 频率的第一正弦波，控制偏转装置的第二信号是具有第二振幅和第二频 率的第二正弦波。这样，偏转装置在垂直于纵轴的平面中提供利萨如图 形。优选地，第一振幅等于第二振幅，从而导致圆形对称光分布。
有利地，至少部分激光束在第一和笫二方向上^L偏转，两个方向均 垂直于纵轴并且在将至少部分激光束引向原子束之前将该激光束引向
该原子束。偏转的步骤可以包括为笫一和第二方向提供在各自的第一 和第二方向中控制偏转度以将至少部分激光束能量扩散在垂直于纵轴
的至少部分平面上的各自的第一和第二控制信号。
激光的波长强烈地取决于冷却的原子类型。例如，Ca的波长为423 nm。本领域熟练技术人员能够选择用于各个原子类型的适合的波长。激 光器功率优选约50mW。然而，激光器功率可以在5 mW至50 mW范 围内变化。优选地，激光器功率位于10mW和200 mW之间。有利地， 激光线宽大约5-20MHz,优选为lOMHz。然而，可以使用在O.lMHz-50 MHz之间的任何值。
如上所提及的，在其中发生原子减速的塞曼减速仪的内部通道，即 线圈的内部通道向其输出端延伸。内部通道的横截面积单调增加。在一 个实施例中，该增加为恒定的，从而导致内部通道具有乂人输入端至输出 端延伸的锥形形状。优选地，横截部分为圆柱形。在一个实施例中，减 速仪的内径为a=ra6， r为到内部通道的输入端的距离。当然，这种形 状能够仅仅应用于部分通道，即冷却部分。也能够使用不同于0.6 (更 小或更大)的功率系数。
考虑到原子的自旋(spin)，塞曼冷却的工作原理特征如下磁场 把原子的自旋分裂为能级(level),这还被称为塞曼效应。在输入端的
高速度。原子的激发:级通过塞曼效应被分裂和偏移，因此，、如果通过塞曼效应被偏移的激发能级与多普勒频移处于平衡状态，则激光器的脉 沖由原子吸收。当原子从它们的激发的能级回落时，相当于该能级差的 能量被发射。激光脉冲的吸收增加了向方向B的脉沖(参考图l)，而 再发射的能量导致具有随机方向的脉冲。为了多次采样(hit)，该原子 的速度或原子在方向A (参考图1)上被减小，这被称为纵向减速或冷
却。由于在通道的输出端处的原子基本上比在输入端处的原子慢，考虑 到减少的多普勒频移，在输出端处的适合的磁场低于用于输入端处较高
速度的原子的磁场。现有技术中，另外的能级(stage)被提供用来减小 横向速度，该能级(stage)被布置在塞曼减速仪的输出端之后，即原子 束的下游。
图1示出了依据现有技术的塞曼减速仪的原理。要被冷却的原子由 加热室10产生并且被发射到线圈20的输入端22中。该线圏包括缠绕 在内部通道26周围的绕组24,原子通过内部通道26从输入端22发射 给线圏的输出端28。内部通道26为圆柱形，该圆柱形由线圈20的圆形 输入端、输出端和圆柱形内壁所限定。在一个方向A上，加热室10发 射原子束进入线圏且沿着线圏的纵轴L朝向输出端28。在输出端28处， 在反平行于方向A的方向上，激光器件30发射激光束沿着朝向和反平 行于穿过线圏的原子束的纵轴进入输出端。
在图2中，显示了常规的塞曼减速仪线圏100的横截面。单位长度 的绕组数目("绕组密度")从线圈输入侧IIO到输出侧112减少。邻 近线圏112的输出端，布置有抽取线圈120。抽取线圏还被表示为反相 线圏。抽取线圈120包括具有与线圏IOO相同绕组方向的一个模块120a 和具有与模块120a的方向相反的绕组方向的另一个反相模块120b。由 线圏IOO形成的通道与线圏的中心轴共轴，并且具有在l餘入110和输出 112之间延伸的圆柱体形状。
在图3中，图示了依据本发明的线圏的一个实施例的横截面。线圏 200具有输入端210以及输出端220。
图3显示了依据本发明的线圈200的实施例的纵向横截面。线圏具 有通过内部通道230连接的输入端210和输出端220。在线圏的冷却部 分212中，内部通道230向锥体形状的输出端220线性伸展。在线圏的 输入部分214中，内部通道具有恒定的圆形横截面，因此形成了从输入 端210到冷却部分212的开始处延伸的圆柱体。优选地，在输入部分214的结尾处，内部通道230的^f黄截面等于冷却部分212起始处的内部通道 230的一黄截面。在一个实施例中，冷却部分中环绕内部通道230的表面 250为反射性的并且提供了偏转器。射在反射表面250上的激光束被反 射向纵轴L。在另一实施例中，反射表面没有被设置在内部通道230的 外表面处，而是以另一个形状，例如比内部通道的锥度或多或少变锥的 锥体的形式。还有，反射表面能够与纵轴共轴地被布置在距内部通道220 的外表面某距离处。另外，作为本发明的实施例的示例，至少部分反射 表面能够被定位在内部通道230的外侧。反射表面能够以 一片的形式被 设置，或者由多个反射器形成。此外，内部通道的仅仅部分外表面能够 被配置有反射器。对于本领域技术人员来说，显而易见的是只要满足 本发明的原理，就可提供偏转器的各种改变，依据本发明的原理偏转器 以使得被引向线圈的输出端上的至少部分激光光能量被反射在原子束 上的方式被提供，该原子束斜向于纵轴从输入端通过线圏至输出端。
为了为在纵轴外侧行进的原子提供减速，由线圏提供的磁场在整个 横截面中必须极其匀质的，尤其在或靠近输出端处，原因在于原子束的 横截面也向输出端延伸。为了在线圈的输出端附近提供磁场，包括在整 个横向横截面上几乎匀质的磁场强度，形成线圈的绕组或多个绕组优选 如图3中所示的那样被定位。在图3中，相应的每对点((x,y)和(x,-y))对 应于围绕内部通道的绕组的一个环路(lo叩)。已经发现，图3中所示 的各个环路的分布导致输出端处或附近的高度匀质的磁场。在输入部分 214中，各个环路被定位在圆柱形的内通道230和外边界(bound)之间。 首先，随着增加距输入端210的距离，绕组的外径成指数减少，形成了 肩部242。该肩部结束在凹口 243处，外径从凹口 243处再以负指数方 式增加，形成了第二肩部244。第一肩部和该凹口均:帔定位在输入部分 214，由此形成第二肩部244的每单位长度的绕组增加被定位在冷却部 分。形成第二肩部的增加以负指数级数(negative-exponential progression)的形式逼近渐近线244a。在输出端220处，外径在小峰246 之后向输出端220线性减少248。同时，由于内部通道230的增加的直 径，绕组的最小内径由于冷却部分中内部通道的锥状形式而线性减少。 ,皮描绘为点的每个环路对应于磁场分布中的 一个分量(component), 它中的每一个都能够由毕奥-萨伐尔定律(Biotand Savart，s law)来概 述。因此，上面给出的描述仅仅反映了导致输出端处匀质场的主要特征。然而，在图3中所示出且上述没有明确描述的特征也对磁场的勻质性产
生影响。因此，能够从图3中提取的每个特征都对磁场的匀质性有贡献。 特别是，各个维(dimension)、维之间的关系以及距内部通道的距离和 纵轴的距离都对磁场的匀质性作出了贡献。此外，附加的抽取线圏260a、 260b有助于在输出端处在内部通道中的通量分布。因此，同样地，关于 维的特征以及距纵轴的距离必须净皮考虑。绕组260a以与绕组260b和240 相反的方向被缠绕。当然，能够将绕组设置在串联或并联连接的绕组部 分。另外，图3显示相等线尺寸的绕組的分布。如果线尺寸被改变，则 能够改变线圈的形式。另外，图3中的一个点能够为一个环路或者能够 指示一定数量的环路。对于本领域的技术人员而言，显而易见的是实施 对各个环路的分布的任何修改，这不会根本改变所得到的磁场分布，该 分布是以环路的位置和电流为特征。在图3中，每个单点的位置表示环 路集中的 一个元素或环路，这由产生总磁场分布的毕奥萨伐尔定律所概 述。这对于图2、 5、 6和7而言也是正确的。另外，图4b中的每个点 表示流过各自的环路的某电流单位。
图3中所示的实施例能够具有下面所述的一个特征、特征的组合或 所有特征，反映了图3中的线圏的尺寸(dimension)和几何形状在图3 中所述的实施例中，线圏包括绕组，其祐:设置在内线和外线之间的线圈 的纵向部分中；内部通道，具有基本上均匀的输入半径R,该半径R在 整个输入部分的输入端处等于内线和纵轴之间的距离，其中输入部分从 输入端延伸到等于3 x R的x位置；冷却部分从3 x R的x位置延伸到 17xR的x位置；冷却部分中的内线为从在R的y位置处的3 xR的x 位置延伸到在4 x R的y位置处的17 x R的x位置；外线起始于7.5 x R 的y位置处的输入端，并成指数下降到2.8 xR的x位置和2.8xR的y
位置，从而形成了肩部；外线从2.8 xR的x位置和2.8xR的y位置逐 渐地到18.9 x R的x位置和5.3 x R的y位置基本上呈负指数增加，经过 3.3 xR的x位置处的4xR的y位置；外线从18.9xR的x位置和5.3 x R的y位置到19.2 x R的x位置和5.8 x R的y位置增长；和/或外线从 19.2 xR的x位置和5.8 xR的y位置到20 x R的x位置和4.1 xR的y 位置处的输入端减小，在输出端它等于线圏的输出半径。在上面中，X
位置指示沿纵轴的位置，y位置指示垂直于纵轴的位置。X位置的原点 为输入端，以及y位置的原点为纵轴。优选地，上面给出的所有特征都得以实现。然而，与这些几何形状相关的特征中的一些或子组合也能够 得以实现。依据本发明的线圈还包括在其中没有确切值的实施例，但是
实现了具有+-1%、 +-10 %或+-20 %的相应容差的数值。优选地，实现 了具有5%准确度的几何特征。另外地，图3中所示的特征中的一些或 组合在本发明的优选实施例中被实现，它们在上面没有以数值来陈述， 而是能够根据图3来测量和导出。作为示例，部分243中的短峰或轻微 凹口 243'、 243〃是本发明的优选实施例的特征。对于本领域技术人员而 言，根据图3，几何特性是明显的。
图4a指由图2及图3的线圏所产生的磁场，并且示出了纵轴上的 磁场强度(轴上磁场)与在距纵轴的某距离处的场强(轴外磁场)的比 值，它在纵坐标上被赋值，作为距纵轴的距离的函数，所述距离对横坐 标被赋值。图4a中的值显示了用于图2中现有技术线圏(被指示为方 块)和图3中线圏的(被指示为菱形)的线圏的输入端处或附近的比值。 因此，图4a给出了输入端处匀质性的指示。能够看出，依据本发明的 线圏的匀质性高于现有技术线圏的匀质性，尤其在距纵轴相当大距离L 中。两个线圏的场随着离纵轴的距离增加而增加。因此，在轴外位置 处，塞曼失调没有正好补偿多普勒失调。然而，在输入端处，原子束比 输出端处准直得多，因此，横向冷却效应，即射束的准直，在冷却效应 方面没有起到重要作用。另外，在输入端处或附近，原子束被集中在纵 轴周围。与其不同，非常重要的是，当射束穿过通道时准直该射束，尤
其是接近输出端时，以产生高原子通量。因此，在输出端处或附近，在 整个横向横截面中磁场匀质性对于高原子通量而言是必不可少的。
与图4a类似，图4b显示了纵轴上磁场强度与距纵轴一距离处的强 度的比值，它在纵坐标上被赋值，作为距纵轴的距离的函数，所述距离 对横坐标被赋值。图4a中的值显示了用于图2的现有技术线圏(被指 示为方块)和图3的线圏(被指示为菱形)的线圈的输入端处的比例。 与图4a相对照，它涉及输入端处的磁场，图4b涉及输出端处或附近的 磁场。由于优化的绕组或电流环分布，依据本发明的线圈的磁场几乎不 依赖于到纵轴的距离。因此，依据本发明的线圏在输出端处在整个完全 横截面提供了基本上相同的场强度。在输出端处或附近，纵向磁场的横 向最大非匀质性对于依据本发明的图3中所示的线圈而言是约0.2%。相 反地，图2中所图示的现有技术线圈显示了直至2.5%的差异。因此，图3的线圏对分布在输出端处或附近的通道的整个横向横截面上的原子的 冷却效果基本上是较高的，这是由于用于内部通道的任何位置的塞曼失
调和多普勒失调的确切的相互补偿。图2、 3是按比例的表示，任何相
对和绝对尺寸与本发明有关。
图5图示了依据本发明的塞曼减速仪器件的实施例。塞曼减速仪 300包括依据本发明的线圈310以及偏转器件320。在线圏310的内部 通道330 (且部分在线圈外侧)中，反射表面312被设置接近于线圈的 内表面。反射表面覆盖线圈的全部内表面，以及在线圏的冷却部分302 中，向偏转器件320扩展。塞曼减速仪器件300包括输入端314和输出 端316。偏转器件320将激光束偏转到输出端中，其中加热室(未显示) 发射原子，例如，多个原子或其他原子，进入输入端314。反射器在冷 却部分302中向偏转器件320和输出端316扩展。输入部分304包含输 入端314,以及输入部分中的反射表面312具有管状形状，该管状形状 具有与输出端处的直径相比较小的直径。在第三部分306中，反射器朝 向偏转器件320稍微变窄。在该第三部分306中，布置抽取线圏311。 优选地，线圈310、抽取线圈311和偏转器件320沿着一个7>共纵轴L 对齐。优选地，偏转器件距纵轴仅仅具有小的位移。图5另外显示了一 些示例性的激光束，其第一部分340射向反射表面312上且向纵轴L反 射。激光束的第二部分342射在输入端314上。激光束340、 342 #皮反 向传播给原子束(未显示)，该原子束由加热室(未显示)发射进入输 入端314。
图5的反射表面312被显示为跟随有锥体的输入部分中的短薄管， 所述锥体向冷却部分中的输出端扩展为输入直径的倍数。然而，几何形 状和尺寸的比值能够适于应用和由线圏产生的场。此外，反射表面还能 够具有抛物线的反射器的形状或改变射到原子束上的反射的激光束的 纵向分布的另一个形状。在一个实施例中，反射表面具有在输入端附近 的位置处集中反射的激光束的形状。另外，横向冷却分量(component) 的大小(magnitude)直接与反射的激光束对原子束的倾斜有关。对于锥 形反射面而言，被反射靠近输入端的激光以微小的倾斜角射在原子束 上，从而产生微小的横向减速分量。因此，反射器能够具有补偿这种效 应的形状，以提供在输入端附近对激光束的较高集中。可替换地或附加 地，通过提供反射表面，能够增加在输入端附近射到原子束上的射束的横向减速分量，以下述形式提供所述反射表面例如，通过抛物线的形 状或者将抛物线的分量加到反射器的圆锥形状，使得射在输入端附近的
射束的倾斜角增加。在一个实施例中，使用具有o至i之间的指数-例 如0.6的指数级数。相对于输入端，沿着纵轴，可以存在这种曲率的偏
移量。另外，可以使用垂直于纵轴的对纵轴的偏移量。还有，仅仅通道 中的 一部分可以具有这样的曲率。取决于反射器的形状和线圈内壁或内 表面的形状之间的空间，具有非锥形形状的这样的反射器可以被装配到 线圏中，所述线圏具有在反射器和线圈的内表面之间保留有纵向改变距 离的锥形冷却部分。
在优选实施例中，偏转器件320为声光调制器(acousto-叩tical modulator, AOM) 。 AOM包括在其上附连了电极的晶体。取决于电极 所施加的电场，例如折射率和/或双折射之类的光特性发生改变。典型地， 使用透明的压电晶体。在晶体中，发生零级(order)和第一级衍射。在 零级衍射下，入射激光束没有倾斜，而笫一级衍射导致倾斜。穿过该晶 体的激光束能量中的部分342以零级被衍射，即被引向沿着纵轴L。激 光束的另 一部分以第一级被衍射，即被偏转倾斜于纵轴且射在反射表面 上。以零级衍射的激光能量被用于纵向减速或冷却，而以第一级衍射的 激光能量被用于产生减速或冷却的横向分量。换言之，以第一级衍射的 激光能量被用于准直或减少原子束向输出端的扩展。为了提供在两个方 向Y和Z中的偏转，激光束经过形成2D-AOM的两个互相垂直排列的 AOM。
经由施加在各自电极上的电压控制偏转的控制单元提供第一偏转 信号和第二偏转信号，第一偏转信号控制一个方向上的偏转而第二偏转 信号控制在另一方向上的偏转。在优选实施例中，该方向连同纵轴形成 笛卡尔坐标系。在另一优选实施例中，两个偏转信号均为正弦波信号， 它们具有以Sl=Ai sin(a^t+ch)、 S2 = A2sin (co2t+4 2)形式的不同的频率 和振幅。两个信号Si和S2的位置，S^空制方向Y上的偏转，所述方向 Y垂直于由S2控制的偏转方向Z,第一级衍射的该部分激光束生成利萨 如曲线。在本发明的实施例中，控制单元还提供用于控制激光束波长的 信号，以支持减速效果。另外，控制单元能够提供用于控制激光束强度 的附加的信号。此外，该控制单元能够提供用于控制施加给线圏或绕组 的各个部分的电流的 一个或多个信号。在本发明的一个实施例中，在垂直于纵轴L的两个方向上的笫一级
衍射在线圈的输出端上(即在反射表面上)生成利萨如图形。该图形的 最大直径取决于偏转信号的振幅。另外，激光束射在原子束上的位置能
够由偏转信号的振幅来控制。在图5中，射束组340的最上面射束具有 对纵轴L的高倾斜度，即对应于控制信号的高振幅。射束组340的底部 波束较少地倾斜于轴L，因此对应于控制信号的低振幅。根据两个示例 性射束的光路，能够导出较少倾斜于轴L的射束在靠近输入端314的点 处与原子束相遇，而具有最高倾斜度的射束在靠近输出端316处击中原 子束。因此，通过改变控制信号的振幅，能够调节所反射的激光束射在 原子束上的位置。另外，可能的是，考虑原子在这位置中的速度和速度 分布。通过定期地扫描或扫掠振幅和/或频率，可能的是对用于沿塞曼 减速仪器件的全部长度的横向冷却的点进行调整，以执行分布式瞬时横 向冷却。
附加地或可替换地，能够以这样的方式对偏转信号的频率进行同 步，所述方式使得"光管(light tube)"围绕原子且从输入端至输出端顺 应它们或者它们的至少部分路径在内部通道中。优选地，信号的该同步 和频率取决于原子的速度。在一个实施例中，围绕原子的"光管"具有圆 柱对称性，它还支撑减速和冷却处理。优选地，第二偏转信号的频率被 选择成使得围绕的"光管"提供了必需的蓝失调，即包含对正极性多普勒 频移的补偿，以用于对带有小横向速度的原子减速。再者，其他图形可 以由控制单元和偏转器件来提供，例如，由用于产生圆线的信号所提供 的完整圆，由此对振幅进行定期地扫掠。在至少部分反射表面上延伸的 任何图形都可以被使用。线圈的形状以及形图和反射表面优选是对称 的。然而，可以使用其他形状，例如，线圈和/或反射表面的横截面的卵 形形状。线圈能够包括多个绕组部分，它是电连接的。另外，抽头能够 被引入到线圏的绕组中，从而提供了关于对施加到线圏的电流的电控制 的另外可能性。再者，可以使用一个以上的激光器，例如， 一个激光器 用于在Y方向减速和另 一个激光器用于在Z方向减速，每个激光器具有 一个专用声光调制器。此外，可以使用另外的激光器来提供沿纵轴的激 光束，以用于纵轴减速。取代声光调制器，可以使用其他的偏转器件， 例如旋转平面镜或者能够被电控制的其他器件。另外，能够使用一个以 上线圏，形成串联级(stage),每个级具有专用的原子速度区间。以这种方式，冷却处理能够被分布在若干级上。
图6描绘了依据本发明的塞曼减速仪的实施例的横截面，示出了用
于横向和纵向减速的原子束403及激光束401、 402。原子束403由加热 室(未示出)来发射，以及随着它沿纵轴行进它提供了渐增的横截面直 径。激光束401是反向传播的，且提供纵向减速，即如上所述的冷却。 依据本发明，倾斜的激光束还被发射进通道中，它被壁405的内表面反 射，所述壁405在线圏406和内部通道之间延伸。该壁包括反射表面， 把倾斜的激光束402反射入通道中，以提供横向冷却(以及附加的纵向 冷却，这取决于倾斜的角度)。石英管404围绕原子束，以保护反射表 面。在该实施例中，没有将整个体积(volume)都用于冷却目的。而是， 石英管404和反射表面405之间的体积-故用于适合地反射激光束402， 以便提供高的倾斜度。反相线圏407、 408提供磁场分量，其突然终止 冷却状态。线圈407提供与线圏408、 406的方向相对的》兹场。由线圏 406、 407及408所产生的场平行于通道的纵轴，在垂直于纵轴的平面中 至少在由石英管404所限定的区域中是匀质的。声光调制器在如图6中 所示的两个方向y、 z上偏转入射激光束。纵轴沿x轴延伸，而x、 y和 z方向形成笛卡尔坐标系，即是互相垂直的。
图7示出了塞曼减速仪，其单调地从输入端延伸。然而，增加不是 恒定的。而是，取决于至输入端的距离(包括偏移量)该半径是指数函 数。在图7中所使用的指数为0.6。然而，可以使用其他函数。在该曲 率下，通过由通道内表面反射的激光束所执行的横向冷却能够被集中在 输入附近的部分上，而较少横向冷却出现在原子束输出附近的部分中。 另外，由于横向冷却而导致的渐增的准直能够被考虑，这导致具有带有 类似级数的横截面的原子束。图7中所示的被排列在通道周围的绕组产 生反映内部通道的非线性曲率的场。图7是以比例的表示，类似于图2 和3。并且表示该线圈的绕组的任何相对或绝对尺寸与本发明有关。这 对于图2、 3、 5及6也是正确的。在图7中所示的绕组布置下，能够提 供在垂直于纵轴的平面内匀质的场。另外，该场沿纵轴减少，并且由在 通道末端所描绘的反相线圏予以终止。
权利要求
1、具有冷却部分(212)的塞曼减速仪，所述冷却部分(212)包括沿纵轴(L)延伸的内部通道(230)，所述内部通道(230)具有垂直于所述纵轴(L)的横截面，其特征在于，至少在所述冷却部分(212)的一部分中，所述内部通道(230)的所述横截面的面积沿所述纵轴(L)单调增加。
2、 如权利要求l所述的塞曼减速仪，其中所述冷却部分(212)沿 所述纵轴(L)从输入端(210)至输出端(220)延伸，其中在所述输 出端(220)处的所述横截面的面积至少是所述输入端(210)处的所述 才黄截面的面积的120%。
3、 如前述权利要求中之一所迷的塞曼减速仪，其中所述内部通道 的所述横截面具有圆形形状。
4、 如前述权利要求之一所述的塞曼减速仪，还包括围绕所述内部 通道(230 )的线圈(310),用来在所述纵轴(L)的方向上在内部通 道(230)中提供磁场，其中所述磁场沿所述纵轴(L)单调减少并且在 垂直于所述纵轴(L)的平面内在所述冷却部分(212)中基本上是匀质 的。
5、 如权利要求4的塞曼减速仪，还包括至少一个抽取线圏(120), 其邻近所述输出端(220)且被布置成用以产生磁场，所述磁场基本上 不同于在所述输出端(230)附近在所述内部通道(230)中由围绕所述 内部通道的所述线圈(310)所产生的磁场。
6、 如前述权利要求之一所述的塞曼减速仪，还包括偏转器(312), 其适于将射在所述偏转器(312)上的至少部分光偏转到所述内部通道(230)中且斜向纵轴(L)。
7、 如权利要求6所述的塞曼减速仪，还包括在所述内部通道(230) 的至少部分中的反射表面，所述反射表面被布置成用来接收来自所述偏 转器的光且斜向所迷纵轴(L)将光反射到所述内部通道(230)中。
8、 如权利要求6或7所述的塞曼减速仪，所述偏转器适于将光偏转 到所述内部通道(230 )中，从而在所述内部通道(230)的横截面中产 生光能量分布，所述光能量分布对所述纵轴(L)是旋转对称的。
9、 如权利要求6至8之一所述的塞曼减速仪，还包括将激光束发射到所述偏转器(320 )上的激光器件，所述偏转器(320 ) 被布置成用来调节所述至少一个线圏(310)的所述纵轴(L)和所述激 光束之间的角度。
10、 如权利要求6至9之一所述的塞曼减速仪，所述偏转器适于将光 引到所述输出端(220 )的横截面上，以用覆盖所述输出端的至少部分 区域的光能量的分布照亮所述输出端(220)。
11、 如前述权利要求之一所述的塞曼减速仪，还包括用于提供原子 束的装置，所述原子束通过所述输入端(210)进入所述内部通道，并 且通过所述输出端离开所述减速仪。
12、 具有内表面的线圏(310),所述内表面适于限定前述权利要 求之一所述的塞曼减速4义的所述内部通道(230)，所述内表面包括适 于将光反射到所述内部通道(230)中的至少一个反射区。
13、 用于冷却原子束的方法，包括步骤 提供磁场；将原子束发射到所述磁场中； 将至少部分光束引到所述原子束上，其特征在于 发射原子束的步骤包括沿纵轴发射原子束，所述原子束具有基本上 在垂直于所述纵轴(L)的方向扩展的横截面。
14、 如权利要求13所述的方法，还包括步骤提供具有横截面的内部通道(230)，所述横截面沿所述纵轴(L) 单调增加，所述内部通道(230)适于调节所述原子束。
15、 如权利要求13或14所述的方法，其中所述原子束和/或所述内部 通道的横截面面积沿所述纵轴(L)整体地被扩展至少大约20%。
16、 如权利要求13-15之一所述的方法，还包括其中 提供磁场包括提供具有平行于所述纵轴(L)的分量的磁场，这个纵向磁场分量具有沿所述纵轴(L)减少的磁场强度，所述纵向磁场分 量在垂直于所述纵轴(L)的平面中基本上是匀质的，还包括步骤通过在斜向所述原子束的传播方向的方向上将至少部分光束引到 所述原子束上，来在垂直于所述纵轴的方向上提供对原子束的附加的减 速。
17、 如权利要求16所述的方法，其中将至少部分光束引到所述原子 束上包括在基本上从纵轴(L)移置的位置处，将至少部分光束反射到所述原子束上且斜向所述原子束。
18、 用于通过实施权利要求13至17之一的方法进行涂敷的方法。
19、 用于制造有机光电器件的方法，包括使用权利要求l-ll中之一的塞曼减速仪的步骤。
全文摘要
本发明涉及塞曼减速仪器件、用于这样的塞曼减速仪器件的线圈和用于冷却原子束的方法。公开了具有冷却部分(212)的塞曼减速仪，所述冷却部分(212)包括沿纵轴(L)延伸的内部通道(230)，该内部通道(230)具有垂直于纵轴(L)的横截面，其中至少在冷却部分(212)的一部分中内部通道(230)的横截面面积沿纵轴(L)单调增加。
文档编号H05H3/04GK101473705SQ200780023236
公开日2009年7月1日 申请日期2007年5月24日 优先权日2006年6月22日
发明者G·内尔斯, S·巴洛彻夫, T·米特瓦, 安田章夫 申请人:索尼德国有限责任公司