專利名稱：雙磁光阱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超冷原子產(chǎn)生技術(shù)，特別是一種雙磁光阱系統(tǒng)光路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)原 子團(tuán)同時(shí)俘獲冷卻、同時(shí)上拋的雙磁光阱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從Hansch和Schawlow提出激光冷卻中性原子的思想到20世紀(jì)最后20年，該 冷原子物理已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為物理學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一。20世紀(jì)70年 代末，以多普勒冷卻為主的激光冷卻技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)，主要工作包括激光冷卻原 子束及其改進(jìn)、光學(xué)粘膠、光阱、磁阱和磁光阱的理論和實(shí)驗(yàn)。原子勢(shì)阱在激光冷 卻的發(fā)展過(guò)程中起了重要的作用，它延長(zhǎng)了冷原子團(tuán)的壽命，從而使玻色-愛(ài)因斯坦 凝聚、原子噴泉等精密物理實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。磁光阱既依賴于非均勻磁場(chǎng)又依賴于產(chǎn) 生光泵浦和強(qiáng)散射力的輻射躍遷選擇定則。磁光阱擁有對(duì)射光束的精密平衡和偏振 度要求都不太高、磁場(chǎng)梯度要求較低、室溫下就可俘獲原子、低原子溫度、低功率、 低造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是冷原子物理中最重要的裝置之一。在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)不同需要磁光 阱被設(shè)計(jì)成各種不同的結(jié)構(gòu)，如，用于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行慢原子轉(zhuǎn)移的 雙磁光阱裝置、用于兩種工作物質(zhì)的噴泉鐘雙磁光阱等等。原子噴泉鐘裝置中的磁光阱系統(tǒng)主要用來(lái)俘獲冷卻原子并實(shí)現(xiàn)冷原子的上拋。 目前，原子噴泉鐘的穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到2.8xl0—"r"2 (法國(guó)的SYRTE-F02)，準(zhǔn)確度 達(dá)3xl(T16 (NIST)，雖然如此，但大部分原子噴泉鐘仍保持傳統(tǒng)的磁光阱結(jié)構(gòu)。圖l是現(xiàn)有原子噴泉鐘的磁光阱的結(jié)構(gòu)框圖，圖中01-反亥姆霍茲線圈對(duì)， 02—光束6 (左旋圓偏振光)，03—光束3 (左旋圓偏振光)，04—光束1 (左旋圓偏 振光)、05—光束2 (右旋圓偏振光)，06—六束輸入光束與磁場(chǎng)零點(diǎn)的重合區(qū)。07 一光束4 (右旋圓偏振光)，08—光束5 (右旋圓偏振光)，09—原子上拋通孔。這種傳統(tǒng)模式的磁光阱系統(tǒng)。用于噴泉原子鐘系統(tǒng)中原子的俘獲冷卻和上拋， 它主要包括樣品泡(含銣源)、真空泵、真空管、真空腔、反亥姆霍茲線圈對(duì)、六 束光纖輸入光束及擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。真空泵包括機(jī)械泵、分子泵、離子泵。磁光阱的真空腔通過(guò)一個(gè)三通的真空管在垂直方向與噴泉鐘的真空系統(tǒng)相連， 在水平方向與真空泵相連。在系統(tǒng)抽真空時(shí)，先用機(jī)械泵和分子泵使系統(tǒng)達(dá)到較高的真空度，最后用離子泵將系統(tǒng)的真空維持在10—6Pa。反亥姆霍茲線圈對(duì)Ol緊貼真 空腔外，位于兩個(gè)相對(duì)的正方形面中心。反亥姆霍茲線圈對(duì)的兩個(gè)線圈通有相反方 向的電流，左反亥姆霍茲線圈的電流方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颍曳春ツ坊羝澗€圈的電流 方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，這為磁光阱提供所需要的線性梯度場(chǎng)。磁光阱系統(tǒng)的入射光由 兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器提供，其中一臺(tái)用來(lái)產(chǎn)生冷卻光俘獲原子，另一臺(tái)用來(lái)產(chǎn)生再泵 浦光維持冷卻和俘獲原子的持續(xù)進(jìn)行。由激光器輸入的光束通過(guò)飽和吸收穩(wěn)頻將頻 率鎖定在冷卻光所需要的頻率和再泵浦光所需要的頻率，再通過(guò)光纖耦合將冷卻光 和再泵浦光分別耦合到六根光纖中。輸入光束的偏振方向相對(duì)于反亥姆霍茲線圈對(duì) 產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向滿足左手定則或右手定則。由光纖輸入的光束要經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系 統(tǒng)，以保證這六束光的輸入方向分別與真空腔的六個(gè)正方形面表面垂直(即三對(duì)互 相垂直且對(duì)射光偏振方向相反的輸入光束)，并使激光輸出的線偏光變?yōu)閳A偏振光。光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)主要包括丄A波片、偏振分束棱鏡(PBS)、丄義波片和透鏡，以此2 ' 4來(lái)保證輸入光為圓偏光且光功率可調(diào)(由^;i波片實(shí)現(xiàn))。保偏光纖要求有較好的偏2振保持特性，以使偏振光經(jīng)偏振分束棱鏡后功率起伏較小。丄/l波片用來(lái)調(diào)整入射2線偏光的偏振方向，使其與偏振分束棱鏡的透射方向相同。偏振分束棱鏡用來(lái)提高 冷卻光的偏振純度，用以避免由于偏振起伏而對(duì)原子產(chǎn)生加熱效應(yīng)。檢偏后的線偏振光通過(guò)j;i波片變?yōu)閳A偏振光。透鏡是用來(lái)將光纖輸出的發(fā)散光準(zhǔn)直擴(kuò)束。真空4腔中傳播的輸入光束滿足對(duì)射光為旋向相反的圓偏振光且光功率差在10%以內(nèi)，才能夠形成穩(wěn)定的磁光阱。在圖1中，光束2 (右旋圓偏振光)與光束6 (左旋圓偏振光)構(gòu)成第一對(duì)對(duì)射光束，它們與反亥姆霍茲線圈對(duì)的方向相同，光束l (左旋圓偏振光)與光束5 (右旋圓偏振光)構(gòu)成第二對(duì)對(duì)射光，光束3 (左旋圓偏振光)與光束4 (右旋圓偏振光)構(gòu)成第三對(duì)對(duì)射光束。這六束輸入光束與反亥姆霍茲線圈對(duì)的幾何中心重合于一點(diǎn)，在這樣的配置下，磁場(chǎng)和光場(chǎng)共同作用形成磁光阱以俘獲和冷卻原子。在原子噴泉實(shí)驗(yàn)中，磁光阱除了實(shí)現(xiàn)俘獲冷卻原子以外還要起到上拋原子的作用，這是通過(guò)調(diào)制入射光束的頻率，使上部的三束光負(fù)失諧同時(shí)下部的三束光正失諧產(chǎn)生輻射壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)上拋的。這種磁光阱的結(jié)構(gòu)是原子噴泉中使用最為廣泛也最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)粘膠冷卻(關(guān)閉磁場(chǎng)、通過(guò)聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)輸入光的強(qiáng)度和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn))等特點(diǎn)，同時(shí)它的缺點(diǎn)也是很明顯的，如， 總輸入光功率要求高、輸入光光路復(fù)雜、光功率平衡和偏振調(diào)節(jié)不方便，在同一時(shí) 間只能上拋一團(tuán)原子等。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于改進(jìn)上述現(xiàn)有磁光阱的不足，提供一種雙磁光阱系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、激光功率要求低、調(diào)節(jié)方便、可實(shí)現(xiàn)同時(shí)俘獲并上拋兩團(tuán)原子等特點(diǎn)。.本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種雙磁光阱系統(tǒng)，包括真空泵系統(tǒng)、真空腔體、光路系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)和工作物質(zhì)源，其特征在于所述的真空腔體是一個(gè)類梭形真空腔體，由第一六邊形面、第二六邊形面、第一 矩形面、第二矩形面、第三矩形面、第四矩形面、第五矩形面和第六矩形面圍成的 空腔體，所述的第一六邊形面和第二六邊形面是由上等腰直角三角形、中間矩形和 下等腰直角三角形組成的上下頂角為直角的梭形面，所述的第一矩形面、第三矩形 面、第四矩形面和第六矩形面相等，且其長(zhǎng)邊與所述的第一六邊形面的短邊相等， 所述的第二矩形面和第五矩形面相等，且其長(zhǎng)邊與所述的第一六邊形面的長(zhǎng)邊相等， 在所述的第一矩形面、第三矩形面、第四矩形面和第六矩形面的幾何中心分別設(shè)有 第五光束輸入窗口、第一光束輸入窗口、第三光束輸入窗口、第四光束輸入窗口， 在第二六邊形面的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第二光束輸入窗口，在第二六 邊形面的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第六光束輸入窗口；在第一六邊形面內(nèi)壁的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)貼設(shè)有第一l;i波片，在第一六邊形面內(nèi)壁的下等4腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第二l;i波片；在第二矩形面內(nèi)壁的幾何中心貼設(shè)第一445°反射鏡，在第五矩形面內(nèi)壁的幾何中心貼設(shè)第二 45°反射鏡，所述的第一 45 °反射鏡與第二45。反射鏡的反射面嚴(yán)格平行；所述的磁場(chǎng)系統(tǒng)包括第一對(duì)反亥姆霍茲線圈和第二對(duì)反亥姆霍茲線圈，所述的 第一對(duì)反亥姆霍茲線圈的右線圈和左線圈相對(duì)地貼設(shè)置在所述的類梭形真空腔體上 部的外表面上，且右線圈和左線圈的中軸線共線并通過(guò)所述的第一六邊形面的上等 腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)和第二六邊形面的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)，所述的左線圈相對(duì)地貼設(shè)置在所述的類梭形真空腔體下 部的外表面上，且右線圈和左線圈的中軸線共線并通過(guò)所述的第一六邊形面的下等 腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)和第二六邊形面的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)，這兩對(duì) 反亥姆霍茲線圈的尺寸和所通過(guò)的電流大小是完全相同的，但它們的電流方向不同， 第一反亥姆霍茲線圈對(duì)左線圈的電流為順時(shí)針?lè)较?，右線圈的電流為逆時(shí)針?lè)较颍?第二反亥姆霍茲線圈對(duì)左線圈的電流為逆時(shí)針?lè)较?，右線圈的電流為順時(shí)針?lè)较?，第一反亥姆霍茲線圈對(duì)和第二反亥姆霍茲線圈對(duì)為雙磁光阱提供線性非均勻的磁 場(chǎng)，并在各自的對(duì)稱中心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)；所述的類梭形真空腔體的下端與樣品泡相連，為系統(tǒng)提供工作物質(zhì)；所述的類梭形真空腔體的上端接三通真空管，該三通真空管在垂直方向構(gòu)成原 子上拋通孔與噴泉鐘的真空系統(tǒng)相連，該三通真空管的水平管與所述的真空泵系統(tǒng) 相連，所述的真空泵系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵和離子泵組成；所述的光路系統(tǒng)包括六條光路，激光器輸出線偏振光通過(guò)單模保偏光纖傳輸?shù)?位于所述的類梭形真空腔體通光窗口處的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)中，光纖輸出的線偏振光經(jīng) 擴(kuò)束準(zhǔn)直后，變?yōu)閿U(kuò)束準(zhǔn)直的圓偏振光，分別經(jīng)第一光束輸入窗口、第二光束輸入 窗口、第三光束輸入窗口、第四光束輸入窗口、第五光束輸入窗口和第六光束輸入 窗口而進(jìn)入真空腔內(nèi)。所述的所有通光窗口的表面鍍有與入射光波長(zhǎng)相應(yīng)的增透膜。所述的第一丄義波片和第二丄/l波片是單面鍍0°高反膜的丄義波片。 4 4 4所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)由丄A波片、偏振分束棱鏡、丄/l波片和透鏡組成。2 4假定水平的第二光束的入射方向?yàn)閦軸正方向，第五光束的入射方向?qū)?yīng)y軸負(fù)方向，第四光束的入射方向?qū)?yīng)x軸負(fù)方向。第二光束(ex—)與其經(jīng)第一丄;i波4片的反射光o"+構(gòu)成上俘獲區(qū)的水平對(duì)射光。第一光束(C7+)經(jīng)腔內(nèi)第二 45°反射 鏡的反射光束C7—與第五光束(C7+)構(gòu)成上俘獲區(qū)的y方向?qū)ι涔?。第三光?CT+) 經(jīng)腔內(nèi)第一45。反射鏡的反射光束o"—與第四光束((7+)構(gòu)成上俘獲區(qū)的x方向?qū)?射光。同樣，第六光束(C7+)與經(jīng)第二丄A波片的反射光a—構(gòu)成下俘獲區(qū)的水平對(duì)射4光，第五光束(o"+)經(jīng)腔內(nèi)第二45。反射鏡的反射光束cr—與第二光束(cr+)構(gòu)成下俘獲區(qū)的x方向?qū)ι涔猓谒墓馐?CT+)經(jīng)腔內(nèi)第一45。反射鏡的反射光束C7一與第三光束(cr+)構(gòu)成下俘獲區(qū)的y方向?qū)ι涔?。本發(fā)明中的反亥姆霍茲線圈對(duì)的方向均與水平光束方向相同，它磁光阱俘獲原 子所必需的線性非均勻磁場(chǎng)。由反亥姆霍茲線圈對(duì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)零點(diǎn)與入射的六條光 束的交點(diǎn)重合，使處于這一區(qū)域的原子不斷被冷卻。該方案在關(guān)閉磁場(chǎng)電流且調(diào)節(jié) 輸入光強(qiáng)和頻率時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的光學(xué)粘膠冷卻。在進(jìn)行激光俘獲與冷卻時(shí)，要求六束光頻率相同。在上拋冷原子時(shí)，通過(guò)調(diào)制 光束的頻率使向上入射光的頻率與向下入射光的頻率差為2Av (使第三光束和第二光束正失諧Avs同時(shí)使第四光束和第五光束負(fù)失諧Av)，這樣兩團(tuán)原子在輻射壓力的作用下得到了上拋的初速度并在(110)方向以相同速度上拋。由于兩團(tuán)原 子受到的輸入光的作用都是完全相同的，所以兩團(tuán)原子的溫度、原子數(shù)密度等參數(shù) 是相同的，'在噴泉實(shí)驗(yàn)中這會(huì)消除部分系統(tǒng)誤差，進(jìn)而降低噴泉原子鐘頻率不確定 性。另外，雙原子上拋使噴泉原子鐘的重復(fù)周期的縮短為原來(lái)的一半，提高了原子 鐘頻率的短期穩(wěn)定度。 本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明利用輸入光的多次反射使兩團(tuán)原子同時(shí)俘獲冷卻并以相同速度上拋，降低了總輸入光功率，簡(jiǎn)化了光路，使調(diào)節(jié)也更加方便。雙原子同時(shí)上拋使噴泉原子鐘的重復(fù)周期降為原來(lái)的一半，從而提高了噴泉原子鐘的穩(wěn)定性。同時(shí)，光束的多次反射提高了光功率的利用率和穩(wěn)定性，由于激光功率平衡的改善增加了俘獲原子的數(shù)目，進(jìn)一步提高了噴泉原子鐘的穩(wěn)定性。，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低、易于操作，穩(wěn)定性好，'并可以實(shí)現(xiàn)兩團(tuán)原子的俘獲冷卻和同速上拋功能。在噴泉原子鐘實(shí)驗(yàn)中，它可以提高頻率的短期穩(wěn)定度。


圖1是現(xiàn)有原子噴泉鐘的磁光阱結(jié)構(gòu)的立體框圖其中01-反亥姆霍茲線圈對(duì)，02—光束6 (左旋圓偏振光)，03—光束3 (左 旋圓偏振光)，04—光束l (左旋圓偏振光)、05—光束2 (右旋圓偏振光)，06—六的重合區(qū)。07—光束4 (右旋圓偏振光)，08—光束5 (右旋 圓偏振光)，09—原子上拋通孔。圖2是本發(fā)明雙磁光阱結(jié)構(gòu)的立體框圖其中l(wèi)l一第五光束輸入窗口，' 12—第一光束輸入窗口， 13—第三光束輸入窗口， 14一第六光束輸入窗口， 15—第二光束輸入窗口， 16—第四光束輸入窗口， 211 一第一反亥姆霍茲線圈對(duì)右線圈，212—第一反亥姆霍茲線圈對(duì)左線圈，221—第二反亥姆霍茲線圈對(duì)右線圈，222—第二反亥姆霍茲線圈對(duì)左線圈，31—第一丄;i波片，432—第二丄A波片，33—腔內(nèi)第一45。反射鏡，34—腔內(nèi)第二45。反射鏡，41一三通 4真空管，42—樣品泡(含源)，43—真空泵接入通孔，51—第一矩形面，52—第一 六邊形面，53—第二矩形面，54—第三矩形面，55—第四矩形面，56—第五矩形面， 57—第二六邊形面，58—第六矩形面。圖3是本發(fā)明雙磁光阱的右視4是本發(fā)明雙磁光阱的正視5為用Maxwell模擬的其中一對(duì)反亥姆霍茲線圈中心附近磁場(chǎng)的等高線圖 其中x軸為反亥姆霍茲線圈徑向方向，單位為m; y軸為反亥姆霍茲線圈軸向 方向，單位為m;磁場(chǎng)等高線所描繪的磁場(chǎng)單位為T。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的變化 范圍。先請(qǐng)參閱圖2、圖3和圖4，圖2是本發(fā)明雙磁光阱結(jié)構(gòu)的立體框圖，圖3是本 發(fā)明雙磁光阱的右視圖，圖4是本發(fā)明雙磁光阱的正視圖。本發(fā)明雙磁光阱系統(tǒng)， 包括真空泵系統(tǒng)(圖中未示)、真空腔體、光路系統(tǒng)(進(jìn)入真空腔體之前的光路未示)、 磁場(chǎng)系統(tǒng)(部分)和工作物質(zhì)源，所述的真空腔體是一個(gè)類梭形真空腔體，由第一六邊形面52、第二六邊形面57、 第一矩形面51、第二矩形面53、第三矩形面54、第四矩形面55、第五矩形面56和 第六矩形面58圍成的空腔體，所述的第一六邊形面52和第二六邊形面57是由上等 腰直角三角形、中間矩形和下等腰直角三角形組成的上下頂角為直角的梭形面，所 述的第一矩形面51、第三矩形面54、第四矩形面55和第六矩形面58相等，且其長(zhǎng) 邊與所述的第一六邊形面52的短邊相等，所述的第二矩形面53和第五矩形面56相等，且其長(zhǎng)邊與所述的第一六邊形面52的長(zhǎng)邊相等，在所述的第一矩形面51、第 三矩形面54、第四矩形面55和第六矩形面58的幾何中心分別設(shè)有第五光束輸入窗 口 11、第一光束輸入窗口 12、第三光束輸入窗口 13、第四光束輸入窗口 16，在第 二六邊形面57的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第二光束輸入窗口 15，在第二 六邊形面57的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第六光束輸入窗口 14;在第一六邊形面52內(nèi)壁的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)貼設(shè)有第一丄義波片31，在第一六邊4形面52內(nèi)壁的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第二l/l波片32;在第二矩形面534內(nèi)壁的幾何中心貼設(shè)第一45°反射鏡33，在第五矩形面56內(nèi)壁的幾何中心貼設(shè)第 二45°反射鏡34，所述的第一45。反射鏡33與第二45。反射鏡34的反射面嚴(yán)格 平行；所述的磁場(chǎng)系統(tǒng)包括第一對(duì)反亥姆霍茲線圈和第二對(duì)反亥姆霍茲線圈，所述的 第一對(duì)反亥姆霍茲線圈的右線圈211和左線圈212相對(duì)地貼設(shè)置在所述的類梭形真 空腔體上部的外表面上，且右線圈211和左線圈212的中軸線共線并通過(guò)所述的第 一六邊形面52的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)和第二六邊形面57的上等腰直角三 角形的斜邊中點(diǎn)，所述的第二對(duì)反亥姆霍茲線圈的右線圈221和左線圈222相對(duì)地 貼設(shè)置在所述的類梭形真空腔體下部的外表面上，且右線圈221和左線圈222的中 軸線共線并通過(guò)所述的所述的第一六邊形面52的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)和 第二六邊形面57的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)，這兩對(duì)反亥姆霍茲線圈的尺寸和 所通過(guò)的電流大小是完全相同的，但它們的電流方向不同，第一反亥姆霍茲線圈對(duì) 左線圈212的電流為順時(shí)針?lè)较?，右線圈211的電流為逆時(shí)針?lè)较颍诙春ツ坊?茲線圈對(duì)左線圈222的電流為逆時(shí)針?lè)较?，右線圈221的電流為順時(shí)針?lè)较颍谝?反亥姆霍茲線圈對(duì)和第二反亥姆霍茲線圈對(duì)為雙磁光阱提供線性非均勻的磁場(chǎng)，并 在各自的對(duì)稱中心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)；所述的類梭形真空腔體的下端與樣品泡42相連，為系統(tǒng)提供工作物質(zhì)；所述的類梭形真空腔體的上端經(jīng)一三通真空管41在垂直方向構(gòu)成原子上拋通 孔與噴泉鐘的真空系統(tǒng)相連，該三通真空管41的水平管43與所述的真空泵系統(tǒng)相 連，所述的真空泵系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵和離子泵組成；所述的光路系統(tǒng)包括六條光路，激光器輸出線偏振光通過(guò)單模保偏光纖傳輸?shù)轿挥谒龅念愃笮握婵涨惑w通光窗口處的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)中，光纖輸出的線偏振光經(jīng) 擴(kuò)束準(zhǔn)直后，變?yōu)閿U(kuò)束準(zhǔn)直的圓偏振光，分別經(jīng)第一光束輸入窗口 12、第二光束輸 入窗口 15、第三光束輸入窗口 13、第四光束輸入窗口 16、第五光束輸入窗口 11和 第六光束輸入窗口 14而進(jìn)入真空腔內(nèi)。水平的第二光束的入射方向?yàn)閦軸正方向，第五光束的入射方向?qū)?yīng)y軸負(fù)方向，第四光束的入射方向?qū)?yīng)x軸負(fù)方向。第二光束(ex—)與其經(jīng)第一丄義波片的4反射光c7+構(gòu)成上俘獲區(qū)的水平對(duì)射光。第一光束(o"+)經(jīng)腔內(nèi)第二 45°反射鏡的 反射光束^與第五光束(cr+)構(gòu)成上俘獲區(qū)的y方向?qū)ι涔?。第三光?ct+)經(jīng) 腔內(nèi)第一45。反射鏡的反射光束cr—與第四光束(cr+)構(gòu)成上俘獲區(qū)的x方向?qū)ι?光。同樣，第六光束(c+)與經(jīng)第二丄;i波片的反射光cT—構(gòu)成下俘獲區(qū)的水平對(duì)射4光，第五光束(o"+)經(jīng)腔內(nèi)第二45。反射鏡的反射光束c—與第二光束(c+)構(gòu)成 下俘獲區(qū)的x方向?qū)ι涔?，第四光?cr+)經(jīng)腔內(nèi)第一45。反射鏡的反射光束cr一與 第三光束(CT+)構(gòu)成下俘獲區(qū)的y方向?qū)ι涔狻Ｋ龅乃型ü獯翱诘谋砻驽冇信c入射光波長(zhǎng)相應(yīng)的增透膜。所述的第一丄/l波片31和第二丄;i波片32是單面鍍0°高反膜的丄/L波片。 4 4 4所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)由l;i波片、偏振分束棱鏡、i/i波片和透鏡組成。2 4類梭形真空腔內(nèi)的真空度要求維持在10—量級(jí)。真空腔內(nèi)通過(guò)真空泵維持在較高的真空度，以減小與背景原子的碰撞，提高俘獲到的原子數(shù)量并降低原子的冷 卻溫度。兩個(gè)反亥姆霍茲線圈對(duì)均緊貼于真空腔外表面，這兩個(gè)線圈對(duì)分別在各自的軸 向和徑向產(chǎn)生小于10Gs/cm的線性非均勻磁場(chǎng)，并在各良的對(duì)稱中心產(chǎn)生磁場(chǎng)零 點(diǎn)，磁場(chǎng)與光場(chǎng)的共同作用將原子俘獲和冷卻。圖5為用Maxwell模擬的其中一對(duì) 反亥姆霍茲線圈中心附近磁場(chǎng)的等高線圖，其中x軸為反亥姆霍茲線圈徑向方向， 單位為m; y軸為反亥姆霍茲線圈軸向方向，單位為m;磁場(chǎng)等高線所描繪的磁場(chǎng) 單位為T。為了觀察真空腔內(nèi)原子團(tuán)的狀態(tài)或?qū)υ訄F(tuán)進(jìn)行測(cè)量，可以根據(jù)需要在腔體的合適位置打開(kāi)若干窗口。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖中并沒(méi)有對(duì)觀察窗口進(jìn)行描述。光纖輸入 的光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后應(yīng)與真空腔相應(yīng)的面嚴(yán)格垂直。輸入光束由兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器 提供，激光器輸出線偏振光通過(guò)單模保偏光纖傳輸?shù)轿挥谡婵涨煌ü獯翱谔幍臄U(kuò)束 準(zhǔn)直系統(tǒng)中。光纖輸出的線偏振光通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，變?yōu)閿U(kuò)束準(zhǔn)直的圓偏振光而進(jìn) 入真空腔內(nèi)。兩個(gè)單面鍍0°高反膜的第一丄/l波片31和第二丄/L波片32位于真空腔第一六4 4邊形面52的等腰直角三角形斜邊中點(diǎn)處，并與第二光束15、第六光束14嚴(yán)格垂直， 用于在水平方向上產(chǎn)生偏振方向與入射光相反的反射光，以保證六束光重合于幾何 中心和原子團(tuán)的豎直上拋。真空腔內(nèi)壁對(duì)稱放置的第一45。反射鏡33和第二45。反射鏡34位于真空腔第 二矩形面53和第五矩形面56中心處，這兩塊反射鏡要求嚴(yán)格平行，保證雙磁光阱 中入射的六束光完全重合于上下兩個(gè)幾何中心。反射鏡放在真空腔內(nèi)部使光能損失 減小，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。每塊反射鏡上都鍍有45。高反膜，以減少單次反射過(guò)程導(dǎo) 致的功率損耗。整個(gè)裝置裝配好以后，可安裝于噴泉原子鐘裝置中，運(yùn)行真空泵并達(dá)到了較高 的真空度后，輸入滿足要求的六束激光并使磁場(chǎng)線圈通入滿足要求的電流，就可以 實(shí)現(xiàn)冷卻俘獲兩團(tuán)原子并將兩團(tuán)原子上拋的實(shí)驗(yàn)了 。本發(fā)明將主要應(yīng)用于噴泉原子鐘裝置，它可以使噴泉原子鐘重復(fù)周期降為原來(lái)的一半，進(jìn)而提高噴泉鐘的頻率穩(wěn)定性。若本發(fā)明將單面鍍(T高反膜的l/l波片和4反射鏡都裝在真空腔外，則可以實(shí)現(xiàn)俘獲冷卻兩種不同的原子，如，它可以實(shí)現(xiàn)銣 銫雙鐘或銣85銣87雙鐘以及原子團(tuán)的轉(zhuǎn)移等的實(shí)驗(yàn)研究，但這種結(jié)構(gòu)需要輸入光 的總功率較大，相應(yīng)的輸入光的光路系統(tǒng)也更復(fù)雜。由于本發(fā)明具有可同時(shí)對(duì)兩團(tuán) 原子進(jìn)行操作的特性，它將為冷原子物理及量子頻標(biāo)領(lǐng)域提供獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
權(quán)利要求
1、一種雙磁光阱系統(tǒng)，包括真空泵系統(tǒng)、真空腔體、光路系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)和工作物質(zhì)源，其特征在于所述的真空腔體是一個(gè)類梭形真空腔體，由第一六邊形面(52)、第二六邊形面(57)、第一矩形面(51)、第二矩形面(53)、第三矩形面(54)、第四矩形面(55)、第五矩形面(56)和第六矩形面(58)圍成的空腔體，所述的第一六邊形面(52)和第二六邊形面(57)是由上等腰直角三角形、中間矩形和下等腰直角三角形組成的上下頂角為直角的梭形面，所述的第一矩形面(51)、第三矩形面(54)、第四矩形面(55)和第六矩形面(58)相等，且其長(zhǎng)邊與所述的第一六邊形面(52)的短邊相等，所述的第二矩形面(53)和第五矩形面(56)相等，且其長(zhǎng)邊與所述的第一六邊形面(52)的長(zhǎng)邊相等，在所述的第一矩形面(51)、第三矩形面(54)、第四矩形面(55)和第六矩形面(58)的幾何中心分別設(shè)有第五光束輸入窗口(11)、第一光束輸入窗口(12)、第三光束輸入窗口(13)、第四光束輸入窗口(16)，在第二六邊形面(57)的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第二光束輸入窗口(15)，在第二六邊形面(57)的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第六光束輸入窗口(14)；在第一六邊形面(52)內(nèi)壁的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)貼設(shè)有第一 id="icf0001" file="A2009100534240002C1.tif" wi="5" he="8" top= "145" left = "155" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>波片(31)，在第一六邊形面(52)內(nèi)壁的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)設(shè)有第二 id="icf0002" file="A2009100534240002C2.tif" wi="5" he="9" top= "159" left = "153" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>波片(32)；在第二矩形面(53)內(nèi)壁的幾何中心貼設(shè)第一45°反射鏡(33)，在第五矩形面(56)內(nèi)壁的幾何中心貼設(shè)第二45°反射鏡(34)，所述的第一45°反射鏡(33)與第二45°反射鏡(34)的反射面嚴(yán)格平行；所述的磁場(chǎng)系統(tǒng)包括第一對(duì)反亥姆霍茲線圈和第二對(duì)反亥姆霍茲線圈，所述的第一對(duì)反亥姆霍茲線圈的右線圈(211)和左線圈(212)相對(duì)地貼設(shè)置在所述的類梭形真空腔體上部的外表面上，且右線圈(211)和左線圈(212)的中軸線共線并通過(guò)所述的第一六邊形面(52)的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)和第二六邊形面(57)的上等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)，所述的第二對(duì)反亥姆霍茲線圈的右線圈(221)和左線圈(222)相對(duì)地貼設(shè)置在所述的類梭形真空腔體下部的外表面上，且右線圈(221)和左線圈(222)的中軸線共線并通過(guò)所述的第一六邊形面(52)的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)和第二六邊形面(57)的下等腰直角三角形的斜邊中點(diǎn)，這兩對(duì)反亥姆霍茲線圈的尺寸和所通過(guò)的電流大小是完全相同的，但它們的電流方向不同，第一反亥姆霍茲線圈對(duì)左線圈(212)的電流為順時(shí)針?lè)较?，右線圈(211)的電流為逆時(shí)針?lè)较?，第二反亥姆霍茲線圈對(duì)左線圈(222)的電流為逆時(shí)針?lè)较?，右線圈(221)的電流為順時(shí)針?lè)较颍谝环春ツ坊羝澗€圈對(duì)和第二反亥姆霍茲線圈對(duì)為雙磁光阱提供線性非均勻的磁場(chǎng)，并在各自的對(duì)稱中心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)；所述的類梭形真空腔體的下端與樣品泡(42)相連，為系統(tǒng)提供工作物質(zhì)；所述的類梭形真空腔體的上端經(jīng)三通真空管(41)在垂直方向構(gòu)成原子上拋通孔與噴泉鐘的真空系統(tǒng)相連，該三通真空管(41)的水平管(43)與所述的真空泵系統(tǒng)相連，所述的真空泵系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵和離子泵組成；所述的光路系統(tǒng)包括六條光路，激光器輸出線偏振光通過(guò)單模保偏光纖傳輸?shù)轿挥谒龅念愃笮握婵涨惑w通光窗口處的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)中，光纖輸出的線偏振光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，變?yōu)閿U(kuò)束準(zhǔn)直的圓偏振光，分別經(jīng)第一光束輸入窗口(12)、第二光束輸入窗口(15)、第三光束輸入窗口(13)、第四光束輸入窗口(16)、第五光束輸入窗口(11)和第六光束輸入窗口(14)而進(jìn)入真空腔內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙磁光阱系統(tǒng)，其特征在于所述的所有通光窗口的表 面鍍有與入射光波長(zhǎng)相應(yīng)的增透膜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙磁光阱系統(tǒng)，其特征在于所述的第一1a波片(31) 和第二j義波片(32)是單面鍍o。高反膜的丄;i波片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的雙磁光阱系統(tǒng)，其特征在于所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)由^;i 波片、偏ii分束棱鏡、丄義波片和透鏡組成。
全文摘要
一種主要適用于激光冷卻和噴泉原子鐘實(shí)驗(yàn)的雙磁光阱系統(tǒng)，通過(guò)六束激光與反射鏡的合理配置，在一個(gè)梭形的配有兩對(duì)反亥姆霍茲線圈的真空腔中分別形成三對(duì)互相垂直、偏振相反、相向傳播的激光束，磁場(chǎng)與光場(chǎng)共同作用冷卻原子構(gòu)成雙磁光阱系統(tǒng)。本發(fā)明利用多次反射光重復(fù)利用光能，使雙磁光阱系統(tǒng)所需激光功率降為原來(lái)的1/2，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、激光功率要求低、調(diào)節(jié)方便、可實(shí)現(xiàn)同時(shí)俘獲并上拋兩團(tuán)原子等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101592843SQ20091005342
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者史春艷, 周子超, 王育竹, 榮 魏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所