原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米技术、冷原子物理和原子光学领域，尤其涉及一种实现原子冷却用二维纳米局域光场的系统。
【背景技术】
[0002]近年来，中性冷原子在固体表面的囚禁研究已成为冷原子物理和原子光学领域中的研究热点之一，它在量子信息、光晶格和原子芯片的研究中具有十分重要的意义。这种技术已逐渐被应用到对冷原子及玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)体的受限与控制、量子传输和隧道效应及量子固态系统微型化和集成化的研究中。
[0003]传统方法中，原子囚禁是利用激光干涉形成光场的梯度分布，形成电场势能的周期变化，将原子囚禁在势能的最低点。但受光的衍射极限的影响，这种周期性光场的特征尺度一般只能限制在半波长量级的线度范围，对原子的囚禁也只能在这个量级范围内，这对研究冷原子的相互作用、实现原子深度冷却等带来一些不足。因此，如何获得比深亚微米级的、甚至纳米量级的局域光场是目前原子物理领域和微纳光学的一大研究热点。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是实现一种可用于原子冷却的二维纳米局域光场的构建系统。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统，系统设有放置纳米粒子阵列的基底，所述的基底旁设有向所述纳米粒子阵列发射激光束的入射激光器，所述的纳米粒子阵列上方设有中性原子磁光阱光学粘胶，所述的中性原子磁光阱光学粘胶一侧设有向其发射激光束的释放激光器。
[0006]所述的纳米粒子阵列水平放置于基底上，且纳米粒子阵列由球形纳米粒子组成，直径为1 Onm?150nm，材料为Ag或Au。
[0007]所述入射激光器输出TE偏振的平面波。
[0008]所述的入射激光器输出的激光束沿水平方向小角度掠入射到纳米粒子阵列上或从纳米粒子基底下方透射到纳米粒子阵列上。小角度范围是以水平方向为0度，-5至+5度的范围。
[0009]所述入射激光器和释放激光器均为波长连续可调激光器，所述入射激光器的光路上设有聚焦准直透镜组件和起偏器。
[0010]所述基底的材质为Si02。
[0011]所述中性原子磁光阱光学粘胶通过多普勒冷却和梯度偏振冷却方法作用在光学粘胶上构建而成。
[0012]基于所述的原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统的构建方法:
[0013]步骤1、将纳米粒子阵列装置水平放置到激光光路系统中；
[0014]步骤2、调节激光光路系统，使入射激光束变成TE偏振的平面波，沿水平方向小角度掠入射到纳米粒子阵列上或从纳米粒子基底下方透射到纳米粒子阵列上，激发表面等离激元共振，在纳米粒子阵列的上表面产生近场局域增强的二维周期纳米光场；
[0015]步骤3、利用多普勒冷却和梯度偏振冷却方法实现中性原子磁光阱光学粘胶；
[0016]步骤4、使中性原子磁光阱光学粘胶的冷原子装载到二维周期纳米光场中，实现原子冷却用的二维纳米局域光场。
[0017]所述的纳米粒子阵列采用液相法制备出纳米粒子悬浊液，之后通过自组装的方式在基底上形成单层纳米粒子阵列。
[0018]所述的二维周期纳米光场是在纳米粒子的顶部出现电场极小值，所述的中性原子磁光阱光学粘胶的冷原子装载是通过释放激光的作用，改变囚禁原子的激发状态，摆脱磁光阱的束缚作用，从而向二维纳米局域光场发射冷原子束。
[0019]本发明利用纳米粒子阵列体系对光的局域特性来获得纳米量级的局域光场，具有特征尺寸小、势场梯度大、光阱深度深、可操纵原子种类多的特点，与现有技术相比有如下优点:
[0020]1)局域光场中势场梯度更大，光阱深度更深。粒子阵列对电场的局域能力比小孔阵列强很多(10倍以上)，因此本发明的局域光场中势场梯度更大，光阱深度更深；
[0021]2)局域光场尺寸更小，很容易实现50nm以下的二维局域光场。本发明的局域光场特征尺度由纳米粒子大小控制，纳米粒子大小决定局域光场大小，因此可以很容易实现50nm以下的局域光场，现有技术方案很难实现；
[0022]3)采用Si02(玻璃)作为纳米粒子基底，具有很宽的透射波段，既可以反射照明也可以透射照明，因此适用于更多方式的原子操纵。
【附图说明】
[0023]下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明:
[0024]图1为原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统结构示意图；
[0025]上述图中的标记均为:1、入射激光器;2、聚焦准直透镜组件;3、起偏器;4、中性原子磁光阱光学粘胶;5、释放激光器;6、冷原子束;7、纳米粒子阵列;8、基底;9、二维周期纳米光场。
【具体实施方式】
[0026]如图1所示，原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统包括入射激光器1、聚焦准直透镜组件2、起偏器3、中性原子磁光阱光学粘胶4、释放激光器5、纳米粒子阵列7和基底8。本系统原理是利用入射激光照射水平放置的周期排布的纳米粒子阵列7，产生表面局域增强近场光场，它对装载进入的中性冷原子实现有效囚禁，从而实现原子冷却用的二维纳米局域光场。
[0027]纳米粒子阵列7放置在基底8，从而将纳米粒子阵列7装置水平放置到激光光路系统中，纳米粒子阵列7由球形纳米粒子组成，直径为10nm?150nm，材料为Ag或Au，制备于基底8上。基底8采用Si02(玻璃)，Si02具有很宽的透射波段，既可以反射照明也可以透射照明，因此适用于更多方式的原子操纵。
[0028]纳米粒子阵列7通过下述方法制得:首先采用液相法制备出纳米粒子悬浊液，然后通过自组装的方式在玻璃基底8上形成单层纳米粒子阵列7。
[0029]激光光路系统包括入射激光器1和释放激光器5组成，入射激光器1和释放激光器5均为波长连续可调激光器，入射激光器1设置在基底8—旁，入射激光器1发射的激光束经过起偏器3、聚焦准直透镜组件2射向纳米粒子阵列7，从而使的激光束变成TE偏振的平面波，并且入射激光器1安装位置需要保证激光束沿水平方向以小角度掠入射到纳米粒子阵列7上或从纳米粒子基底8下方透射到纳米粒子阵列7上，激发表面等离激元共振，在纳米粒子阵列7的上表面产生近场局域增强的二维周期纳米光场9。
[0030]纳米粒子阵列7上方设有中性原子磁光阱光学粘胶4，利用多普勒冷却和梯度偏振冷却方法实现中性原子磁光阱光学粘胶4;中性原子磁光阱光学粘胶4一侧