一种二维磁光阱装置的制作方法

本发明属于原子冷却技术，具体涉及一种为三维磁光阱提供一种小型化、持续高速流的二维磁光阱装置。

背景技术：

随着激光冷却技术的发展，尤其是激光冷却原子技术的出现和成熟，原子的温度可以被降低到μK甚至nK数量级，原子的相干性被大大地提高，冷原子的研究应用成为热点。原子惯性器件如冷原子陀螺、原子加速计、原子重力仪、原子喷泉等方面的研究也取得重要进展。冷原子源作为这些研究的载体，获得速度分布窄、发散角小、高通量的冷原子源成为研究的重点。

冷原子源的制备技术通常采用三维磁光阱技术，三维磁光阱加载冷原子的效率是影响性能的主要因素。对于小型化可移动装置，由于激光功率和空间都受限制，较高的原子加载率就更为重要。为了提高三维磁光阱中冷原子加载速率，通常需要原子预冷却装置。二维磁光阱是常见的原子预冷却装置，传统的二维磁光阱采用两对反亥姆霍兹线圈，在长轴对称轴形成零磁场线，在垂直长轴的两个正交方向上，采用两对冷却光束垂直于长轴入射，同时在长轴方向采用推送光，从而将原子沿长轴方向移动进入超高真空腔内。这种方案光路比较复杂，空间尺寸大，同时使用过多的光学器件使得光功率损耗比较大，对激光功率要求比较高，因此不适用于小型化、工程化应用中。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种在小型化的基础上能得到持续高速流的二维磁光阱装置。

本发明的技术方案是：一种二维磁光阱装置，其包括第一反射镜1、真空腔2、第一激光准直扩束系统3、第二反射镜4、第二激光准直扩束系统5、第一线圈对6、第二线圈对7，其中，所述第一激光准直扩束系统3位于真空腔第一入射面一侧，出射方向与真空腔表面倾斜，第一反射镜1位于真空腔另一侧，与第一激光准直扩束系统3对应；所述第二激光准直扩束系统5位于真空腔第二入射面一侧，出射方向与真空腔表面倾斜，第二反射镜4位于真空腔第二入射面另一侧，与第二激光准直扩束系统5对应，第一线圈对6和第二线圈对7分别设置在第一激光准直扩束系统3与第一反射镜1之间及第二激光准直扩束系统5与第二反射镜4之间，真空腔第一入射面与真空腔第二入射面相邻且相互垂直。

真空腔2长轴的一侧置有中性原子源8，用于释放中性原子气体。对应的另一侧有差分输出管9，且其直径为4mm，长约16mm，其中8mm伸入到真空腔中，该差分管将真空腔与更高真空的三维磁光阱的真空腔连接起来，并保持两个真空腔之间的气压差。

所述第一激光准直扩束系统3的出射方向与真空腔第一入射面表面倾斜角度与第二激光准直扩束系统5的出射方向与真空腔第二入射面表面倾斜角度相同，且倾斜角度在1°～15°。

第一反射镜1与第二反射镜5分别与真空腔第一入射面及真空腔第二入射面平行。

第一激光准直扩束系统3与第二激光准直扩束系统5完全相同，二者均包括沿光轴顺次设置的光纤激光器10、光纤耦合器11、1/4波片12、凹透镜13、凸透镜14。

第一线圈对6和第二线圈对7为反亥姆霍兹线圈，所有线圈的电流均相等。

本发明的技术效果是：本发明二维磁光阱装置采用简单、紧凑的光路和结构设计，可以实现在无轴向外加推送光的条件下，得到横向发散角小、高通量的冷原子束。而且原子预冷却装置结构简单，体积小，实现了磁光阱原子冷却系统的小型化。

附图说明

图1是本发明二维磁光阱装置；

图2是本发明二维磁光阱装置的光路图；

图3是本发明二维磁光阱装置中激光准直扩束系统示意图；

其中，1-第一反射镜，2-真空腔，3-第一激光准直扩束系统，4-第二反射镜，5-第二激光准直扩束系统，6-第一线圈对，7-第二线圈对，8-原子源，9-差分管，10-光纤激光器，11-光纤耦合器，12-1/4波片，13-凹透镜，14-凸透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

请参阅图1，本发明二维磁光阱装置包括第一反射镜1、真空腔2、第一激光准直扩束系统3、第二反射镜4、第二激光准直扩束系统5、第一对6、第二线圈对7。其中，所述第一激光准直扩束系统3位于真空腔 第一入射面一侧，出射方向与真空腔表面倾斜，第一反射镜1位于真空腔2另一侧，与第一激光准直扩束系统3对应。所述第二激光准直扩束系统5位于真空腔第二入射面一侧，出射方向与真空腔表面倾斜，第二反射镜4位于真空腔第二入射面另一侧，与第二激光准直扩束系统5对应。真空腔第一入射面与真空腔第二入射面相邻且相互垂直。

所述真空腔2所用材料为微晶玻璃，4个通光面镀有增透膜，与真空腔之间采用低温键合技术密封。

所述真空腔2长轴的一侧置有中性原子源8，原子源8与真空腔2之间用法兰连接。中性原子源可以是碱金属原子，如铷原子、铯原子等，但不限于碱金属原子。原子源中原子为固态，通过加热原子源，达到原子的饱和蒸汽压，将原子以气体的形式释放到真空腔2中。真空腔2长轴的另一侧有差分输出管9，且其直径为4mm，长约16mm，其中有8mm伸入到真空腔2中，差分输出管9的另一端连接更高真空度的三维磁光阱的真空腔。该差分管一方面起到过滤准直作用，只有横向速度小的原子才能通过，进入到三维磁光阱的真空腔，另一方面，保持两个真空腔之间的气压差。

所述第一线圈对6和第二线圈对7分别设置在第一激光准直扩束系统3与第一反射镜1之间及第二激光准直扩束系统5与第二反射镜1之间，对称的分布在真空腔两侧，第一线圈对6和第二线圈对7均为反亥姆霍兹线圈，所通电流相等，在真空腔长轴附近形成零磁场线，两个短轴方向为四极磁阱。第一线圈对6和第二线圈对7的框架均采用铝合金，通过螺钉固定在一起，环绕在真空腔2的四周。

所述第一激光准直扩束系统3出射方向与真空腔第一入射面表面倾斜角度与第二激光准直扩束系统5出射方向与真空腔第二入射面表面倾斜角度相同，且倾斜角度在1°～15°，以保证冷却效果的稳定性。第一反射镜1与第二反射镜4分别与真空腔第一入射面及真空腔第二入射面平行。

在传统的二维磁光阱装置中，两对冷却光束在垂直长轴的两个正交方向上，且长轴方向外加推送光，才能保证被囚禁在长轴附近的原子被推送到更高真空腔中。本发明的一个重要创新点在于倾斜光路的设计。本发明中将冷却光束的入射方向相对于垂直于长轴的方向倾斜一定的角度，用第一反射镜1和第二反射镜4将光束反射形成对射的冷却激光束。

本发明所述激光光路示意图如图2所示。假设入射光的光强分量为k_I，倾斜角度为α，设反射镜损耗为δ，则反射光光强分量为δk_I，则在沿长轴也即是原子束出射方向上的光强总分量为：

k₁＝k_I sinα+δk_I sinα

考虑到与其正交的另外一个方向上冷却光也是同样的情况，沿长轴的分量相同，因此，长轴总的激光光强分量为

k＝2k₁＝2k_I(1+δ)sinα

该光强分量可以等效于沿长轴方向上的推送光，有效的将横向冷却的原子推送出去。通过本发明上述光路设计，可以在无外加推送光的情况下，获得高通量的冷原子束。

本发明采用紧凑的激光准直扩束系统，图3为激光准直扩束系统示意图。第一激光准直扩束系统3与第二激光准直扩束系统5完全相同， 二者均包括沿光轴顺次设置的光纤激光器8、光纤耦合器9、1/4波片10、凹透镜11、凸透镜12。上述器件集成在一块基板上，简单紧凑，使得整个光路系统变得小型化。