專利名稱：一種直接獲得單個原子成像的探測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單個原子低背景成像的獲得方法，具體為一種直接獲得單個原子成像的探測方法。
背景技術：
單個原子的控制和測量在超靈敏監(jiān)測、超低信號分析與微納尺度的操控與測量方面具有重要的應用前景，作為一個基本的量子系統(tǒng)，在探索和研究基礎物理以及量子信息存儲、量子通訊、量子計算等諸多方面具有極其重要的意義。早在1968年，前蘇聯(lián)的科學家就提出利用激光把原子俘獲在光強最強處的建議，但因其阱深較淺，不能從室溫背景氣體中直接俘獲原子(參見文獻V. S. Letokhov, JETP Lett. 7，272 (1968).)；此外還有人提出，基于兩束對射的負失諧激光構建偶極力和散射力相結合三維光學偶極阱方案(參見文獻A. Ashkin, Opt. Lett. 9，454 (1984).)，因為遠離共振沒有飽和的問題，勢阱可以做的較深，但此方案當時在實驗上并不可行一方面，當時并沒有溫度很低的冷原子，雖然勢阱可以較深，但還不足以從背景氣體中直接俘獲常溫的原子；另一方面，由于對射的兩束激光，造成俘獲區(qū)原子由于偶極力作用進行雙光子受激輻射，這種過程是隨機的，造成原子動量的漲落，引起明顯的加熱效應，不利于光學偶極阱的實現(xiàn)。隨后人們開始利用光學偶極阱俘獲冷原子，人們發(fā)現(xiàn)在較大的激光功率范圍內都能把冷原子俘獲在光學偶極阱中；但由于單個原子難于俘獲且需要高精度的操控技術，在冷卻與俘獲原子過程中，總是伴隨著原子的吸收和自發(fā)輻射，上述過程會破壞俘獲原子的內部自由度。光學偶極阱是利用光與原子的偶極相互作用俘獲預冷卻的原子，特別是遠失諧的光學偶極阱(FORT)；由于俘獲光的頻率遠離原子躍遷線且其散射率極低，因此FORT可以認為是近似的保守勢阱。在這種勢阱中，原子內態(tài)的相干性可以得到較長時間的保持，同時利用光斑的強聚焦和多光束干涉效應可以構建多種構型的光學偶極阱，其阱的尺寸可以做到微米量級，即達到光的衍射極限，這有利于對原子空間局域化，實現(xiàn)外部自由度的控制；但是單原子信號非常微弱，容易受到背景環(huán)境的影響和調整精度的限制，不但需要考慮收集系統(tǒng)的空間位置以及信號的傳輸和空間濾波，還需要選擇適當的激發(fā)波長和極其靈敏快速的探測系統(tǒng)，因此如何準確有效地獲得高質量的單個原子的信號和圖像，使背景干擾盡可能降低，仍是人們不斷探究的一個問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有單原子成像時因背景信號強導致探測難的問題，提供了一種降低背景光干擾、直接獲得單個原子成像的探測方法。本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的一種直接獲得單個原子成像的探測方法，包括如下步驟
(一)、取由石英制成的長方體或正方體玻璃真空氣室，在玻璃真空氣室的外表面上鍍一層與被測原子波長相同的減反射膜；玻璃真空氣室與真空泵相連從而將玻璃真空氣室維持在真空壓強低于ICr7I3a的環(huán)境中；將通有電流的銫釋放劑作為原子源放入玻璃真空氣室中；
(二)、構建磁光阱系統(tǒng)的光場部分和磁場部分光場部分包括冷卻光激光器、 再泵浦光激光器，用飽和吸收光譜技術將冷卻光激光器的頻率鎖定在銫原子D2線
權利要求
1. 一種直接獲得單個原子成像的探測方法，其特征在于包括如下步驟(一)、取由石英制成的長方體或正方體玻璃真空氣室(1)，在玻璃真空氣室(1)的外表面上鍍一層與被測原子波長相同的減反射膜；玻璃真空氣室(1)與真空泵相連從而將玻璃真空氣室(1)維持在真空壓強低于 IO^Pa的環(huán)境中；將通有電流的銫釋放劑(2)作為原子源放入玻璃真空氣室(1)中；(二)、構建磁光阱系統(tǒng)的光場部分和磁場部分光場部分包括冷卻光激光器(3)、再泵浦光激光器(4)，用飽和吸收光譜技術將冷卻光激光器(3)的頻率鎖定在銫原子D2線 ^smSPm Pt = 5的負失諧5-15MHZ處、再泵浦光激光器(4)的頻率鎖定在銫原子DL'線6 ^ F = 4-SPm iP、4的共振躍遷線上；將冷卻光激光器(3)、再泵浦光激光器(4)發(fā)出的激光用光束耦合器件(5)耦合，出射光用望遠鏡(6)將光束的直徑擴大至2-5mm后經分光棱鏡(21)按功率等分為三束，三束光均經第一四分之一波片(7)轉換為圓偏振光后入射到玻璃真空氣室(1)中并使三束光相互正交；三束光從玻璃真空氣室(1)中射出后均經第二四分之一波片(8)、零度全反鏡(9)原路返回，從而形成磁光阱系統(tǒng)的光場部分；磁場部分包括四極磁場、位于玻璃真空氣室(1)外的補償磁場，四極磁場由磁場梯度為5GauSS/ cm-20Gauss/cm的一對反亥姆霍茲線圈產生而補償磁場由磁場強度小于IGauss的三對亥姆霍茲線圈產生；四極磁場的位置應當保證磁場強度為零的點位于玻璃真空氣室中且與相互正交的三束光的交點重合，重合點處形成原子俘獲區(qū)域；將銫釋放劑(2)通電流釋放銫原子，磁光阱系統(tǒng)的原子俘獲區(qū)域俘獲數量為IG5-IV的銫原子(三)、構建遠紅失諧的微光學偶極阱將瓦級、單頻連續(xù)波長為1064nm的激光器(10) 發(fā)出的激光射入聲光調制器(11)中，聲光調制器(11)發(fā)出的一級衍射光射入波長為 1064nm的單模保偏光纖(12)后經偏振分束棱鏡(13)入射到數值孔徑為0. 29且物距為 36mm的透鏡組(14)中，調節(jié)偏振分束棱鏡(13)、單模保偏光纖(12)的位置使透過透鏡組 (14)后的出射光聚焦且腰斑尺寸小于2um，從而形成微光學偶極阱；(四)、將透鏡組(14)、偏振分束棱鏡(13)、以及單模保偏光纖(12)固定于三維平移臺上，調節(jié)三維平移臺的三個獨立自由度使微光學偶極阱的腰斑與磁光阱系統(tǒng)的原子俘獲區(qū)域完全重合，在碰撞阻擋效應下將磁光阱系統(tǒng)的原子俘獲區(qū)域中的一個原子裝載到微光學偶極阱中；(五)、將一束波長為894nm且光強穩(wěn)定在20uW以下的激發(fā)光與相互正交的三束光中的一束重合使得該激發(fā)光與銫原子DiF=4 6 +滬4的共振躍遷線共振，用透鏡組(14)收集銫原子輻射出的熒光經偏振分束棱鏡(13)反射到透射率為十萬分之一且?guī)捫∮?nm的干涉濾波片(15)上，調整后入射到射波長為894nm且芯徑為IOOum的多模光纖 (16)中；其中透鏡組(14)收集銫原子熒光的收集范圍占整個4 π立體空間的2. 1% ；(六)、將單光子探測器(17)與多模光纖(16)相連進行銫原子中熒光信號的探測，用計數器與單光子探測器(17 )相連進行計數統(tǒng)計得到單個原子的熒光信號圖，根據熒光信號圖統(tǒng)計分析得到單個原子在微光學偶極阱中的平均停留時間、單個原子熒光光子計數率的統(tǒng)計分布圖；(七)、在玻璃真空氣室(1)中內放置非球面鏡(18)、45度全反鏡(19)，玻璃真空氣室(1)的頂部設有與45度全反鏡(19)位于同一豎直線上的電荷耦合器件攝像機(20);非球面鏡(18)收集銫原子的熒光后經45度全反鏡(19)射入電荷耦合器件攝像機(20)內，調節(jié)電荷耦合器件攝像機(20)的成像區(qū)域使微光學偶極阱的中心落在電荷耦合器件攝像機(20) 成像區(qū)域的中心位置，即可獲得單個原子的成像。
2.根據權利要求1所述的一種直接獲得單個原子成像的探測方法，其特征在于所述冷卻光激光器(3)、再泵浦光激光器(4)均選用光柵反饋半導體激光器。
3.根據權利要求1或2所述的一種直接獲得單個原子成像的探測方法，其特征在于 所述光束耦合器件(5)選用單模光纖、偏正分束棱鏡、雙色鏡以及窄帶濾波片。
4.根據權利要求1或2所述的一種直接獲得單個原子成像的探測方法，其特征在于 所述透鏡組(14)選用三片凸透鏡和一片凹透鏡的組合、單片非球面透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及低背景單個原子成像的獲得方法，具體為一種直接獲得單個原子成像的探測方法。本發(fā)明解決了單原子成像時因背景信號強導致探測難的問題。一種直接獲得單個原子成像的探測方法，包括如下步驟取由石英制成的方體玻璃真空氣室；構建磁光阱系統(tǒng)的光場部分和磁場部分；構建遠紅失諧的微光學偶極阱；激發(fā)光與相互正交的三束光中的一束重合后用透鏡組收集銫原子輻射出的熒光經偏振分束棱鏡反射到干涉濾波片后射入多模光纖；非球面鏡收集銫原子的熒光后經45度全反鏡射入電荷耦合器件攝像機內，調節(jié)電荷耦合器件攝像機的成像區(qū)域獲得單個原子的成像。本發(fā)明所述的方法可直接獲得單原子成像，可廣泛適用于單原子操控與測量及量子信息方面。
文檔編號G01N21/64GK102519928SQ20111041299
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月13日
發(fā)明者張?zhí)觳? 張艷峰, 張鵬飛, 李剛, 王軍民, 郭龑強 申請人:山西大學