集成化通用冷原子科学实验腔

本发明涉及激光冷却，原子物理，以及超高真空等领域，特别是一种主要用于冷原子实验的装置。

背景技术：

以玻色—爱因斯坦凝聚(bose-einsteincondensation，简称bec)为代表的超冷原子物理是近十几年来蓬勃兴起的一个新兴科学领域。以目前的发展势头，可以预见在未来二十年内它仍将是物理学最前沿、最引人注目、最具有活力的领域之一。这个新兴领域在物理学与科学技术的发展史上的重要地位是不言而喻的，该领域及相关领域因原子的激光冷却(1997年)，玻色—爱因斯坦凝聚的实现(2001年)以及光的量子相干性与精密光谱学的发展(2005年)，以及基于超冷原子光晶格技术的原子钟与量子操控技术(2012年)先后四次摘取诺贝尔物理学奖桂冠。作为量子科技的一部分，基于量子传感的超冷原子实验更是其中最关键的部分。超冷原子实验中科学腔是所有实验的基础，是进行实验必不可少的组部件。它承担了实验中操纵原子所必须的激光，磁场，微波，射频等关键物理量的馈入，另外这些关键物理量对应馈入角度是有严格要求的。一个功能全面的冷原子科学实验腔不仅仅可以为不同物理实验提供上述必要条件，还有利于整机的工程化，产业化。

超高真空，在冷原子制备的过程中，真空环境是一个基础且必要的条件。对于超冷原子实验如若腔室真空度不高，则由于背景气体原子密度高，原子平均自由程短，背景气体原子与磁光阱中冷原子碰撞，冷原子很容易通过碰撞获得能量逃逸出磁光阱的俘获，这就使得冷原子寿命较短，无法进行接下来的磁阱俘获以及蒸发冷却。再就是，背景气体原子荧光较强，会对俘获冷原子探测有影响。因此超冷原子实验都要求实验腔体内真空度达到10^-9pa量级的超高真空。

磁光阱，主要是基于激光冷却技术。原子在静磁场与光场的混合力阱作用下被冷却。磁光阱的发明给激光冷却与原子陷俘带来了极大便利，不仅仅技术简单易实现，还很容易获得温度足够低，足够数目(一般是10⁷～10¹⁰)的冷原子。如图5所示，磁光阱的光场主要由三个正交方向的σ⁺-σ^-驻波场组成，磁场由一对半径相同的反赫姆霍兹线圈提供。原子在三个维度的方向上都被减速，从而被冷却陷俘。

为满足上述技术要求，一方面是真空腔体，另外一方面就是磁场和激光的要求，除了能馈入相关实验用的激光以及磁场外，实验本身还对馈入的物理量有具体方向的严格要求。因此科学实验腔体的构型就非常重要。另外腔体材料的选择也是必不可少的细节。好的腔体构型可以满足多种科学实验的需求。整个结构的小型化，工程化伴随着现阶段科学发展的形势也越来越重要。

传统的超冷原子物理实验，通常腔体都是立方体形式的玻璃腔，配合金属法兰，真空泵系统，光学系统，磁场单元等构成实验系统。整套系统异常庞大，复杂。具体应用过程中也有诸多问题：

1)玻璃腔结构脆弱，安装过程误操作或操作不当会造成不可挽回的损失；

2)系统结构复杂，不可搬运，腔体结构造成了工程化，小型化难度增大；

3)科学实验上不能满足所有实验需求，实验调整会造成结构上的全方位的变动，重新恢复系统需要时间很长；

3)科学实验中大磁场情况下功耗巨大，为散热需要用中心通水的矩形铜导线来绕制磁场线圈。水冷散热带来的微震动将导致磁场的抖动会影响冷原子实验的最终结果；

技术实现要素：

为了克服上述现有超冷原子科学实验系统的问题，本发明提供了一种小型化，一体化，功能全面的集成化通用冷原子科学实验腔。该系统拥有丰富的光学窗口，以及可以实现大范围调控磁场的线圈，以及可以提供多角度的入射激光的光学安装盘。该装置较之传统冷原子实验系统不仅仅结构上全范围的缩小，丰富的光学窗口以及磁场调控范围可以满足几乎现阶段所有的超冷原子科学实验。磁场线圈组件外围可以采用热管导热的方式隔绝水冷散热震动对实验的影响。另外就是一体加工的小型化的钛结构稳定可靠，可以实现系统的工程化可搬运，为超冷原子实验，以及量子传感相关领域提供了工程化的解决方案。

本发明的技术解决方案如下：

一种集成化通用冷原子科学实验腔，其特点在于，包括真空腔、光学安装盘和磁场线圈组件；

所述的真空腔呈正十二边柱体状，在十二个周缘面设有开孔，且两两相对，构成六个轴线彼此相交的通孔，其中，一个通孔两端向外延伸分别加工有正八边形的真空法兰接口，其余五个通孔作为通光窗口，且任一正交的两个通光窗口向内凹陷作为成像窗口；在所述的真空腔的上表面与下表面均开孔，构成一个通孔，作为光学安装盘的光学引入窗口，该光学引入窗口外还设有供磁场线圈组件安装的环型槽口；

所述的光学安装盘为圆柱状，顶部是一个正六边形面，且中间开孔，作为光学窗口，沿着正六边形六条边并以与垂直方向30度夹角环切出六个斜面，斜面上开孔，作为光学窗口；所述的光学安装盘的底部设有供真空腔固定的安装孔；

所述的磁场线圈组件由磁场线圈及包裹该磁场线圈的线圈外罩构成，所述的线圈外罩的四周留有耳朵，用来与所述的真空腔连接固定。

所述的集成化通用冷原子科学实验腔，其特征在于，两个光学安装盘分别固定在所述的真空腔的上下表面的光学引入窗口，两个磁场线圈组件分别嵌入在所述的真空腔的上下表面的环型槽口内。

所述的集成化通用冷原子科学实验腔，其特征在于，所述的光学窗口采用铟丝加聚四氟乙烯o型圈加金属法兰密封。

所述的所述的真空腔以及光学安装盘都是采用钛合金(tc4)一体成型的结构。

所述的磁场线圈包含绕制在最内层的快变线圈以及大磁场线圈两部分。

所述的光学窗口上镀有多波段宽带介质增透膜。

实验中，完成装配的集成化通用冷原子科学实验腔，预冷却的原子进入到该科学实验系统中，通过预留的光学窗口打入相应的激光，并对应调控磁场，配合实验时序。可以进行对应的激光冷却相关实验，囚禁制备超冷原子。并通过其余窗口馈入例如1064nm的高功率激光束来进行原子操控，亦可以通过光学安装盘上的窗口馈入相应角度的激光实现一维、二维、三维、六角、三角等目前冷原子、超冷原子常见的光晶格激光，来对制备好的超冷原子进行对应的科学实验。多角度的成像窗口可以实时监测原子的状态行为，提供原子的温度，以及对应馈入的探测光可以监测原子内态的变化。另外该系统的磁场线圈可以配备安装相应的传热装置将磁场大电流情况下产生的热量有效的带走。本发明可以实现一系列的量子模拟，以及量子传感相关实验，而不用担心调换系统，以及重新配置实验等问题。

本发明的技术效果在于：

1)本发明由用于超冷原子实验的真空正十二边柱体形腔，光学安装盘以及磁热装置构成。较之传统的超冷原子实验系统可满足小型化的要求，具有结构简单，易于安装，性能稳定的特点；

2)本发明装置功能全面，拥有a类，b类，c类窗口共计24个光学窗口，可以满足不同原子实验的激光冷却，磁阱囚禁，超冷原子制备，以及量子模拟一系列实验的光学需求；

3)本发明装置实验的磁场线圈除了拥有可变向，可以提供大的梯度范围以及单向强磁场的的大磁场线圈以外，还包括了可快速扫描的快变线圈，可以满足冷原子，冷分子相关实验的磁场需求；

附图说明

图1是本发明集成化通用冷原子科学实验腔爆炸图

图2光学安装盘的上视图

图3光学安装盘的侧面剖视图

图4正十二边柱体形超高真空腔模型图

图5正十二边柱体形超高真空腔剖视图

图6上下磁场线圈组件安装结构的剖视图

图7磁光阱原理示意图

图中：1-光学安装盘；2-线圈外罩；3-磁场线圈；4-正十二边柱体形超高真空腔；5-光学c类窗口；6-光学b类窗口；7，12，10，15-冷却，重泵激光馈入a类窗口；13，16-探测激光馈入窗口；8，11-成像窗口；9，14-补磁，光塞以及三维晶格激光等的馈入窗口；17-光学安装盘的光学引入窗口；18，19-正八边形的真空法兰接口；20-安装线圈所用环形槽口；21-磁场线圈半径；22-上线磁场线圈安装间距。

具体实施方式

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。

参阅图1。图1是集成化通用冷原子科学实验腔爆炸图。该系统如图所示主要分为四大部分。上下光学安装盘1，线圈外罩2，磁场线圈3以及正十二边柱体形超高真空腔4。其中正十二边柱体形超高真空腔4是安装主体，上下光学安装盘落在腔体上下表面的光学引入窗口17外围，磁场线圈套进线圈外罩焊接后通过外罩的耳朵安装在正十二边柱体形腔的上下表面的环形槽口20内。左右两侧的正八边形真空法兰18，19用来连接真空系统以及对应的原子与冷却系统。本发明不仅拥有丰富的光学窗口，大范围可调控的磁场，并且所有结构都采用无磁材料一体成型，极大的避免了杂散磁场对实验本身的影响，可以在线圈外罩2外围加装散热系统用来带走大电流工作磁场线圈产生的热量。

参阅图2，3。图2是单个光学安装盘的上视图及侧面剖视图。其中5代表的是c类光学窗口；6代表的是b类光学窗口。如图3所示b类窗口与c类窗口的光轴夹角为30°，上下两个安装盘最大光束夹角可以达到120°。参照图1，b类与c类光学窗口的光都是通过正十二边柱体形超高真空腔的上下大窗口馈入的。其中b类窗口可以用来做对应光阱，一维、二维、正交三维光晶格激光的馈入窗口。c类窗口主要用来提供磁光阱的垂直方向的冷却及重泵激光。

参阅图4，5。分别是正十二边柱体形超高真空腔模型图及剖视图。由图所示，真空腔4呈正十二边柱体形，周缘十二个面，以及上下表面都设有开孔，开孔两两相对，互相贯通构成七个通孔，该七个通孔的轴线彼此相交，中间区域形成冷原子实验区域。7至16是对应的5对a类光学窗口，其中两对正交窗口7，12，10，15分别用于冷却光重泵光的馈入，窗口13，16作为探测光的馈入窗口，对面的向内凹陷且轴线整觉的窗口8，11是对应的成像窗口，窗口9，14作为补磁光，光塞光以及三维晶格光的馈入。上下表面除了开孔的作为光学安装盘1光学引入窗口17以外还留有安装磁场线圈的环型槽口20；开孔18，19向外延并加工有正八边形真空法兰用来连接真空泵以及原子预冷却系统。

参阅图6。图6是上下磁场线圈组件安装结构的剖视图。该系统主要有两部分构成，磁场线圈3，以及线圈外罩2。其中磁场线圈，是落在线圈外罩内然后焊接成为一体。其中磁场线圈是提供可小范围扫描磁场以及大范围的梯度磁场，和超高强度的单向磁场的组件。线圈外罩套在线圈外围通过焊接的方式与线圈连接为一体，另外外罩的耳朵为安装在真空腔体提供了便利，也可以在外围安装导热系统来带走大电流工作下的热能。值得注意的是21磁场线圈半径与22上线磁场线圈安装间距是相等的。

参阅图7。图7是磁光阱原理示意图。如图所示，三对两两对射并且偏振相反的正交激光，以及一对反向亥姆霍兹线圈提供的梯度磁场作用下原子被减速并囚禁在系统中间。

本发明具体使用方法是：

该系统配合真空系统以及原子预冷却系统构成完整的实验系统。预冷却的原子气体进入到正十二边形科学实验系统中，在科学实验系统上冷却光与梯度磁场的作用下重新捕获预冷却的原子。再经过，后冷却将温度进一步的降低。然后将后冷却后的原子装载进静磁阱或者光阱中，进一步的做深度冷却直至实现超冷原子的制备。制备完成超冷原子后，可以利用其余窗口提供的光阱，光晶格激光来对超冷原子进行进一步操控来实现进一步的科学目标。

实验中本系统丰富的光学窗口可以满足实验上各类激光的馈入，以及对应实验结果的监测与采集。另外拥有内层可快速扫描的快变线圈可以对磁场进行精细化调节，大磁场线圈可以通过控制电流的方向以及强度来实现正反亥姆霍兹线圈，提供大范围的梯度磁场，以及超高强度的单向磁场，为冷原子实验的所需的磁场环境奠定了坚实的基础。另外整体采用无磁材料制作的系统不仅质量轻，结构紧凑，而且结构耐受高强度的振动试验，功能全面也利于批量化生产。总而言之，本发明为冷原子物理实验工程化系统提供了一种解决方案。