积分球磁不敏囚禁系统的制作方法
【专利摘要】一种积分球磁不敏囚禁系统，主要包括真空腔体、磁场系统和光路系统。本发明用于制备高密度、长相干时间的冷原子源。本发明通过一对准赫姆霍兹线圈和单根导线形成Ioffe-Pritchard微磁阱，利用其产生的梯度场搜寻磁不敏原子态，具有装置简易，体积小，功耗低，操作方便等优点，利于实现积分球内原子态的相干操控研究，为最终研制高精度小型化星载原子钟提供一种新的技术。
【专利说明】积分球磁不敏囚禁系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及小型化低功耗的磁阱系统，特别是一种积分球磁不敏囚禁系统。利用产生的梯度场搜寻磁不敏原子态，从而制备高密度、长相干时间的冷原子源。具有装置简易，体积小，功耗低，操作方便的特点，为研制高精度小型化星载原子钟提供了更好的实验
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【背景技术】
[0002]积分球冷却是中科院上海光机所王育竹院士首次提出的一种新的激光冷却技术，它利用漫反射光场角度的变化自动抵消原子的多普勒效应，与传统的光学粘团和磁光阱技术相比，该实验方案具有操作简单、装置简易、体积小、功耗低和冷原子俘获效率高等优势。
[0003]近年来，国内外在积分球冷却机制以及积分球原子钟的研究上取得了较大进展，引起了科学界的广泛关注。法国天文台的N.Dimarcq小组在2001年利用积分球冷却技术获得了温度为3.5 ii K、原子数为2.5X108的超冷铯原子气体，并于2010年实现了积分球铯原子钟的原理样机，频率稳定度指标是3.2X 10_15@万秒。迄今为止，积分球冷原子物理及精密测量研究更多地集中在漫反射光场下的激光冷却方面，这种技术无法消除多普勒频移，原子间的相干时间较短，原子数目较少，从而会影响原子钟测量的精度和准确度。
[0004]本发明首次报道在积分球内构建中性原子的囚禁系统，目的在于获得高密度、长相干时间、稳定的冷原子源；同时满足小型化，功耗低，操作简单的需求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种积分球磁不敏囚禁系统，制备高密度、长相干时间、稳定的冷原子源，提高积分球原子钟测量的精度和准确度。采用1fTe-Pritchard(IP)微磁阱来囚禁冷却的原子，在节约功耗的同时还可以提高积分球内的原子密度，力争原子密度比已报道的结果提高一个数量级；延长原子间的相干时间，增强冷原子团的稳定性。
[0006]本发明的技术解决方案如下:
[0007]一种积分球磁不敏囚禁系统，主要包括真空腔体、磁场系统和光路系统，其特点在于:
[0008]所述的真空腔体是一个积分球体，由玻璃球体、漫反射涂层和玻璃吸收池组成,所述的玻璃球体的球体下端开一 O IOmm孔并烧制在所述的玻璃吸收池上，所述的漫反射涂层是一种硫酸钡材料，均匀涂在玻璃球体外壁，所述的漫反射涂层上开有分别沿与正负Z轴成45度对称分布的第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和第四通光孔，所述的玻璃吸收池由石英玻璃与不锈钢过渡法兰封接构成；
[0009]所述的磁场系统包括一对准赫姆霍兹线圈和单根超高真空导线，所述的准赫姆霍兹线圈的左线圈和右线圈对称地放在所述的玻璃球体外部两侧，且左线圈和右线圈的轴线与玻璃球体的球心共轴，沿坐标的Z轴分布，所述的左线圈和右线圈的尺寸和所通过的电流大小是完全相同的，而且电流方向也相同，所述的左线圈和右线圈提供一个均匀的偏置场，使得玻璃球体的球体中心处磁场为零，所述的单根超高真空导线沿直角坐标系XYZ轴在玻璃球体内折叠为7段，形成沿Z轴方向传输的四段导线和靠近玻璃球体(I)的内壁的三段导线，所述的导线的两头通过玻璃球体左侧一孔穿过，与外侧真空接线柱相接，且四段导线两两相邻的间距相同，电流方向相反，提供一个线性非均匀的磁场，并在玻璃球体的球心产生磁场零点；
[0010]所述的光路系统包括第一冷却光束、第二冷却光束和探测光束，第一冷却光束和第二冷却光束分别由两根多模光纤输出，第一冷却光束通过积分球体的第一通光孔,沿与正Z轴成正45度方向传播，第二冷却光束通过积分球体的第二通光孔，沿与负Z轴成正45度方向传播，相对射向积分球体的中心，所述的探测光束由另一根单模保偏光纤输出，通过积分球体的第三通光孔、积分球体的中心、第四通光孔，沿与正Y轴成正45度方向传播。
[0011]所述的单根超高真空导线上均镀有高漫反射率涂层，以避免减小积分球的Q值。
[0012]所述的靠近玻璃球体的内壁的三段导线分别通过两块陶瓷片粘贴在玻璃球体的内壁上。
[0013]本发明积分球磁不敏囚禁系统的优点有:
[0014]1、本发明装置简易，元件少，操作简单，便于精密调谐；
[0015]2、本发明装置体积小，功耗低，提高了激光能量的利用率；
[0016]3、本发明装置对入射激光的偏振、光功率起伏不敏感，对磁场抖动免疫，大大增加了系统的稳定性；
[0017]4、本发明装置延长了积分球内原子间的相干时间，利于完成高度精确的量子操控实验。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明积分球真空球体的结构示意图。
[0019]图2是单根超闻真空导线的空间布局不意图。
[0020]图3是本发明积分球磁不敏囚禁系统总体结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0022]先请参阅图3，由图可见，本发明积分球磁不敏囚禁系统，主要包括真空腔体、磁场系统和光路系统，所述的真空腔体是一个积分球体，由玻璃球体1、漫反射涂层2和玻璃吸收池3组成，所述的玻璃球体I的球体下端开一①IOmm孔C并烧制在所述的玻璃吸收池3上，所述的漫反射涂层2是一种硫酸钡材料，均匀涂在玻璃球体I外壁，所述的漫反射涂层2上开有分别沿与正负Z轴成45度对称分布的第一通光孔a、第二通光孔b、第三通光孔c和第四通光孔d，所述的玻璃吸收池3由石英玻璃与不锈钢过渡法兰D封接构成；
[0023]所述的磁场系统包括一对准赫姆霍兹线圈和单根超高真空导线4，所述的准赫姆霍兹线圈的左线圈5和右线圈6对称地放在所述的玻璃球体I外部两侧，且左线圈5和右线圈6的轴线与玻璃球体I的球心共轴，沿坐标的Z轴分布，所述的左线圈5和右线圈6的尺寸和所通过的电流大小是完全相同的，而且电流方向也相同，所述的左线圈5和右线圈6提供一个均匀的偏置场，使得玻璃球体I的球体中心处磁场为零，所述的单根超高真空导线4沿直角坐标系XYZ轴在玻璃球体I内折叠为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦共7段，参见图2，形成沿Z轴方向传输的四段导线①、②、③、④和靠近玻璃球体I的内壁的三段导线⑤、⑥、⑦，所述的导线的两头①、⑦通过玻璃球体I左侧一孔E穿过，与外侧真空接线柱e相接，且四段导线①、②、③、④两两相邻的间距相同，电流方向相反，提供一个线性非均匀的磁场，并在玻璃球体(I)的球心产生磁场零点；
[0024]所述的光路系统包括第一冷却光束Al、第二冷却光束A2和探测光束B，第一冷却光束Al和第二冷却光束A2分别由两根多模光纤输出，第一冷却光束Al通过积分球体的第一通光孔a，沿与正Z轴成正45度方向传播，第二冷却光束A2通过积分球体的第二通光孔b，沿与负Z轴成正45度方向传播，二者相对射向积分球体的中心，所述的探测光束B由另一根单模保偏光纤输出，所述的探测光束B通过积分球体的第三通光孔C、积分球体的中心、第四通光孔d，沿与正Y轴成正45度方向传播。
[0025]所述的单根超高真空导线4上均镀有高漫反射率涂层，以避免减小积分球的Q值。
[0026]所述的导线段⑤、⑥、⑦分别通过两块陶瓷片f粘贴在玻璃球体I的内壁上。
[0027]实施例:
[0028]玻璃球体I孔径约为Φ45πιπι，球体下端开一 Φ IOmm孔径C，烧制在商业的玻璃吸收池3上，开孔C不宜太大，否则会破坏球内光场的空间均匀性；漫反射涂层2是一种硫酸钡材料，均匀涂在玻璃球体I的外壁，在450nm到800nm波段的漫反射率高达96%，涂层上开四个Φ2πιπι的通光孔a，b，c，d ;商业玻璃吸收池3由石英玻璃与不锈钢过渡法兰D封接实现。
[0029]两个准赫姆霍兹线圈提供一个均匀的偏置磁场，使得球体中心处的磁场非零，从而避免由于磁场零点附近存在Majorana跃迁导致严重的原子损失，同时实现Z方向上原子的囚禁，要获得较深的势阱来囚禁冷却的原子，左右两个线圈应尽可能的靠近积分球。单根超高真空导线4沿直角坐标系XYZ轴折叠，在玻璃球体(I)内形成沿Z轴方向传输的四段导线①，②，③，④，这种分布方式可以减小积分球的开孔率，相邻导线间距相同，电流方向相反，提供一个线性非均匀的磁场，并在玻璃球体I的球心产生磁场零点，导线间距尽可能的靠近球心位置，实现X和Y向上原子的紧束缚；导线上均镀有高漫反射率涂层，以避免减小积分球的Q值。导线两头通过积分球左侧一孔E穿过，与外侧真空接线柱e相接；导线两侧通过两块陶瓷片f粘贴在玻璃球体I内壁上。通过选取合适的偏置磁场大小，结合梯度场选态，最终可实现积分球内冷原子团的磁不敏囚禁。
[0030]如图1:光束Al通过积分球体的通光孔a，沿与正Z轴成正45度方向传播，光束A2通过积分球体的通光孔b，沿与负Z轴成正45度方向传播；光束B通过积分球体的两个通光孔c，d后，沿与正Y轴成正45度方向传播。玻璃球体(I)下端开一孔C，与过渡法兰D相通；玻璃球体(I)左侧开一孔E,与真空Feed through F相通，e是两根真空接线柱。
[0031]实验表明，在只有两束激光入射的条件下，囚禁的原子数密度比非囚禁装置要提高一个数量级，而且整个原子团的稳定性能大大提高。同传统的飞行时间方法(TOF)测温法相比，我们采用反冲诱导共振(RIR)光谱方法，发现整个原子团的温度更低。现在的冷原子团的温度在200 μ K左右。因此，本发明将为下一代星载原子钟实验提供更好的冷原子源。
【权利要求】
1.一种积分球磁不敏囚禁系统，主要包括真空腔体、磁场系统和光路系统，其特征在于: 所述的真空腔体是一个积分球体，由玻璃球体(I)、漫反射涂层(2)和玻璃吸收池(3)组成，所述的玻璃球体(I)的球体下端开一 O IOmm孔(C)并烧制在所述的玻璃吸收池(3)上，所述的漫反射涂层(2)是一种硫酸钡材料，均匀涂在玻璃球体(I)外壁，所述的漫反射涂层(2)上开有分别沿与正负Z轴成45度对称分布的第一通光孔(a)、第二通光孔(b)、第三通光孔(c)和第四通光孔(d)，所述的玻璃吸收池(3)由石英玻璃与不锈钢过渡法兰(D)封接构成； 所述的磁场系统包括一对准赫姆霍兹线圈和单根超高真空导线(4)，所述的准赫姆霍兹线圈的左线圈(5)和右线圈(6)对称地放在所述的玻璃球体(I)外部两侧，且左线圈(5)和右线圈(6)的轴线与玻璃球体(I)的球心共轴，沿坐标的Z轴分布，所述的左线圈(5)和右线圈(6)的尺寸和所通过的电流大小是完全相同的，而且电流方向也相同，所述的左线圈(5)和右线圈(6)提供一个均匀的偏置场，使得玻璃球体(I)的球体中心处磁场为零，所述的单根超高真空导线(4)沿直角坐标系XYZ轴在玻璃球体(I)内折叠为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦共7段，形成沿Z轴方向传输的四段导线①、②、③、④和靠近玻璃球体⑴的内壁的三段导线⑤、⑥、⑦，所述的导线的两头①、⑦通过玻璃球体(I)左侧一孔(E)穿过，与外侦慎空接线柱(e)相接，且四段导线①、②、③、④两两相邻的间距相同，电流方向相反，提供一个线性非均勻的磁场，并在玻璃球体(I)的球心产生磁场零点； 所述的光路系统包括第一冷却光束(Al)、第二冷却光束(A2)和探测光束(B)，第一冷却光束(Al)和第二冷却光束(A2)分别由两根多模光纤输出，第一冷却光束(Al)通过积分球体的第一通光孔(a)，沿与正Z轴成正45度方向传播，第二冷却光束(A2)通过积分球体的第二通光孔(b)，沿与负Z轴成正45度方向传播，相对射向积分球体的中心，所述的探测光束(B)由另一根单模保偏光纤输出，所述的探测光束(B)通过积分球体的第三通光孔(c )、积分球体的中心、第四通光孔(d)，沿与正Y轴成正45度方向传播。
2.根据权利要求1所述的积分球磁不敏囚禁系统，其特征在于所述的单根超高真空导线(4)上均镀有高漫反射率涂层，以避免减小积分球的Q值。
3.根据权利要求1或2所述的积分球磁不敏囚禁系统，其特征在于所述的导线段⑤、⑥、⑦分别通过两块陶瓷片(f)粘贴在玻璃球体(I)的内壁上。
【文档编号】H05H3/02GK103763847SQ201410014819
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】王文丽, 邓见辽, 王育竹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所