專利名稱:用于中性原子的二維磁光阱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于量子光學(xué)試驗(yàn)中的具有高光學(xué)厚度的中性原子囚禁裝置。
背景技術(shù)
自從上世紀(jì)80年代激光冷卻和囚禁技術(shù)發(fā)展起來以后[E. L. Raab, M.Prentiss, A. Cable, S. Chu, and D. E. Pritchard, Phys. Rev. Lett. 59, 2631 (1987)](其獲得1997年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))，
磁光阱(MOT)已被廣泛應(yīng)用和實(shí)施于原子物理和量子光學(xué)等領(lǐng)域以便為科研提供冷原子源。多種可用于原子傳感器和量子光學(xué)領(lǐng)域的冷原子裝置已被發(fā)明，部分已實(shí)現(xiàn)商品化[參見 ColdQuanta Inc;D. Z. Anderson and J. G. J. Re i chel,美國(guó)專利號(hào) 2005/0199871 ;D. Z. Anderson 等，美國(guó)專利號(hào) 2010/0200739;M. Hyodo,美國(guó)專利號(hào)7，816，643B2]。最常用的冷原子裝置是三維(3D)磁光阱，它由六束囚禁激光束和一個(gè)三維四極磁場(chǎng)構(gòu)成，其中冷原子云被以球形囚禁于磁場(chǎng)零點(diǎn)的位置。在那種結(jié)構(gòu)中，空間上只有一個(gè)磁場(chǎng)零點(diǎn)，而且原子在每一個(gè)方向上都?xì)v經(jīng)磁場(chǎng)梯度。因此，對(duì)于需要長(zhǎng)的原子相干時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，例如電磁感應(yīng)透明(EIT)、原子的量子存儲(chǔ)以及單光子產(chǎn)生等等，必須在實(shí)驗(yàn)的時(shí)間窗P之前關(guān)斷磁場(chǎng)[A. Kuzmich, W. P. Bowen, A. D. Boozer, A. Boca, C.ff. Chou, L. -M. Duan, and H. J. Kimble, Nature423, 731 (2003).]。這顯著增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度并妨礙了以高重復(fù)率采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是因?yàn)橐P(guān)斷電感在磁場(chǎng)線圈中引起的電流始終需要一定的時(shí)間。基于三維磁光阱的量子光學(xué)和光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)是一種典型的費(fèi)時(shí)實(shí)驗(yàn)。
一種改進(jìn)的方案是將三維的四極磁場(chǎng)變?yōu)榫哂幸粭l零磁場(chǎng)線的二維的四極磁場(chǎng)。這被稱為二維磁光阱，其中冷原子被囚禁在沿長(zhǎng)對(duì)稱軸的零磁場(chǎng)線周圍。常規(guī)的二維磁光阱裝置有兩種配置。在第一種配置中，僅有4束垂直于長(zhǎng)對(duì)稱軸傳播的囚禁激光[T. G. Tiecke, S. D. Gensemer, A. Ludewig, and J. T. M. ffalraven, Phys. Rev.A80，013409 (2009)]。這導(dǎo)致冷卻和囚禁僅在二維上發(fā)生，沿著原子可以自由移動(dòng)的長(zhǎng)對(duì)稱軸不存在冷卻和囚禁。在第二種配置中，沿長(zhǎng)軸方向增加了 2束相向傳播的囚禁激光從而在第三維上提供 T 額外的冷卻[K. Dieckmann, R. J. C. Spreeuw, M. ffeidemuller, andJ. T. M. ffalraven, Phys. Rev. A58, 3891 (1998)]。然而在那種裝置中，沿長(zhǎng)對(duì)稱軸方向的光學(xué)通道被沿該方向的兩束囚禁光阻擋或分享。常規(guī)二維磁光阱通常用來產(chǎn)生移動(dòng)原子束而不是提供穩(wěn)定的原子陷阱。[0007]高光學(xué)厚度(OD)是許多量子光學(xué)研究中的所追求的條件[A. V. Gorshkov，A.Andre, M. Fleischhauer，A. S . Sorensen, and M. D. Lukin, Phys. Rev.Lett. 98，123601 (2007)]，但是在傳統(tǒng)的磁光阱光學(xué)配置中，通常通過增加磁光阱的尺寸使得原子云中能夠包含更多的冷原子來獲得高0D。但是，磁光阱的尺寸通常是由磁光阱激光束的尺寸決定并且 受到激光總功率的限制。另一種提高OD的方法是使用暗點(diǎn)配置來增加原子云中的原子密度[W. Ketterle, K. B. Davis, M. A. Joffe, A. Martin andD. E. Pritchard, Phys. Rev. Lett. 70, 2253 (1993)]，但在應(yīng)用中經(jīng)常要求關(guān)斷磁場(chǎng)梯度。另夕卜，在常規(guī)二維磁光阱中，光學(xué)通道由于其幾何形狀而受限，并且OD也需要進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
二維(2D)磁光阱(MOT)包括原子源、可烘烤的超高真空吸收池、二維的四極磁場(chǎng)、至少六束囚禁光和至少一束再抽運(yùn)激光束。在暗線二維磁光阱裝置中，使用了兩束正交的再抽運(yùn)激光束，每束光中的暗線在吸收池的中心沿著長(zhǎng)對(duì)稱軸方向相交。至少兩對(duì)囚禁激光束沒有沿著四極磁場(chǎng)的對(duì)稱軸布置它們被沿著與磁光阱的長(zhǎng)對(duì)稱軸有非零度夾角的方向布置。


圖I是具有八邊形吸收池和磁場(chǎng)線圈的二維磁光阱的裝置示意性示圖，以及示出了激光束的布置。
圖2A和圖2B是從兩個(gè)視角給出的單線磁場(chǎng)線圈及其布線結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3A和圖3B是八邊形玻璃池的示意圖。圖3A描繪了帶有轉(zhuǎn)接管的八邊形玻璃池。圖3B描繪了八邊形玻璃池及其帶有磁場(chǎng)線圈和6束囚禁光的布置。
圖4A和圖4B是矩形玻璃池的示意圖。圖4A描繪了矩形玻璃池。圖4B描繪了矩形玻璃池及其帶有磁場(chǎng)線圈和6束囚禁光的布置。
圖5是具有矩形真空吸收池、磁場(chǎng)線圈以及激光束布置的二維磁光阱裝置結(jié)構(gòu)的示意性示圖。
圖6是示出建立在單個(gè)矩形吸收池中的兩個(gè)磁光阱的示意圖。
圖7A至圖7C是示出在常規(guī)三維磁光阱(圖7A)、常規(guī)二維磁光阱(圖7B)、和具有45度光束布置的二維磁光阱(圖7C)中相對(duì)于磁場(chǎng)圖案的激光束布置的示意圖。
圖8是描繪相關(guān)的85Rb原子能級(jí)和激光躍遷線的示圖。
圖9A和圖9B分別為從X方向(圖9A)和從y方向(圖9B)看到的磁光阱中85Rb冷原子的熒光像。
圖IOA至圖IOC為暗線二維磁光阱配置的示意性示圖。圖IOA是三維示圖。圖IOB和圖IOC分別是在x-y和y-z平面上的截面圖。
圖IlA和圖IlB是用于產(chǎn)生二維磁光阱四極磁場(chǎng)的另外兩種配置的示意圖。圖IlA描繪了多匝磁場(chǎng)線圈組，圖IlB描繪了永磁體組。
圖IlB中的插圖顯示了 4個(gè)磁體在x-y平面中的布置。
圖12A至圖12C展示EIT測(cè)量方案原理圖。圖12A描繪了 85Rb原子Dl線中有關(guān)的原子能級(jí)圖。圖12B描繪了光學(xué)裝置。圖12C描繪了磁光阱和EI T測(cè)量的時(shí)序。[0022]圖13A和圖13B是顯示了暗線二維磁光阱的主要的吸收測(cè)量結(jié)果的示圖。圖13A描繪了在二能級(jí)系統(tǒng)和EIT系統(tǒng)中的探測(cè)吸收譜輪廓。圖13B描繪了測(cè)量到的OD在無暗線的二維磁光阱、無退布居光束的暗線二維磁光阱、有退布居光束的暗線二維磁光阱中隨著兩個(gè)釋放器中的電流變化的情況。
圖14是在暗線二維磁光阱中測(cè)量的OD隨占空比的變化的曲線圖。
具體實(shí)施方式
概述
二維磁光阱2D MOT系統(tǒng)使用6束囚禁激光束。二維磁光阱在對(duì)稱軸上沒有囚禁激光束，從而為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)保留了全部光學(xué)通道。在進(jìn)行量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無需關(guān)斷磁場(chǎng)以保持長(zhǎng)的原子相干時(shí)間。以下以85Rb原子為例進(jìn)行闡述。此處描述的原理性可用于其他中性原子。
在一個(gè)實(shí)施例中，二維磁光阱裝置包含緊湊的可烘烤的超高真空吸收池、單個(gè)中空導(dǎo)線磁場(chǎng)線圈、以及具有6束囚禁激光的光學(xué)布置系統(tǒng)?？珊婵镜某哒婵瘴粘匕ň哂泄鈱W(xué)質(zhì)量的玻璃池、全金屬六通腔、原子釋放源、離子泵和渦輪分子泵。玻璃池可為八邊形或矩形。采用單線設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生一個(gè)沿長(zhǎng)軸方向具有零磁場(chǎng)線的二維四極磁場(chǎng)。
囚禁激光采用6光束配置。2束相向傳播的囚禁激光束垂直于長(zhǎng)對(duì)稱軸方向傳播，并且其余4束(兩兩相向傳播)囚禁激光束布置為與對(duì)稱軸呈45度角。冷原子沿對(duì)稱軸被囚禁。由于在對(duì)稱軸上沒有囚禁光束，因此該裝置沿對(duì)稱軸方向上提供了全部光學(xué)通道。作為6光束配置的結(jié)果，獲得了三維冷卻效應(yīng)，因此盡管原子被(二維地)囚禁在一條線上，然而磁光阱的冷卻效應(yīng)在所有方向上都存在。
該二維磁光阱能夠囚禁具有高光學(xué)厚度的穩(wěn)定的線狀冷原子云。沿對(duì)稱軸的零磁場(chǎng)線使得無需關(guān)斷磁光阱磁場(chǎng)就可以獲得長(zhǎng)的原子基態(tài)相干時(shí)間。因此，二維磁光阱適合于以高重復(fù)率進(jìn)行的量子光學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，例如電磁感應(yīng)透明、原子存儲(chǔ)和貯存、單光子和雙光子產(chǎn)生等。
這種配置與常規(guī)配置的不同之處在于在公開的二維磁光阱裝置中2 (或3)對(duì)穿過二維磁光阱的囚禁激光束并非沿四極磁場(chǎng)的對(duì)稱軸，而是以大的非零度角來布置。在一個(gè)非限制性的示例中，45度夾角的布置被選擇為最優(yōu)布置，將最優(yōu)布置用作目標(biāo)布置。
對(duì)于給定的囚禁激光總功率，6光束配置被認(rèn)為是最優(yōu)配置。以6光束配置為基礎(chǔ)，可以增加更多相向傳播的光束對(duì)來獲得類似的囚禁效果。選擇6光束配置是為了獲得盡可能高的光學(xué)厚度和囚禁盡可能多的原子。有可能用較少的光束實(shí)現(xiàn)有效的磁光阱，例如4光束二維磁光阱，也可能用多于6光束實(shí)現(xiàn)有效的磁光阱，但是非6束配置對(duì)于給定的總激光功率不是最優(yōu)的。
在一個(gè)公開的配置中，實(shí)施了暗線二維磁光阱系統(tǒng)。該配置包括(a)原子源，(b)可烘烤的超高真空吸收池，(C) 二維四極磁場(chǎng)，(d)至少6束囚禁激光束；以及(e) 2束相互垂直的再抽運(yùn)激光束，沿長(zhǎng)軸有一條在中心處相交的暗線。
在該實(shí)例中，使用了 2束正交的再抽運(yùn)激光束。在每束再抽運(yùn)光束中均有一條不透明的線被成像于二維磁光阱的長(zhǎng)軸上。這兩條線的圖像的交疊在不存在再抽運(yùn)光的長(zhǎng)軸中產(chǎn)生了暗線區(qū)域。
在暗線二維85Rb磁光阱的一個(gè)示例中，使用40mw的囚禁激光功率和18mw的再抽運(yùn)激光功率，在電磁感應(yīng)透明(EIT)實(shí)驗(yàn)中我們能夠獲得高達(dá)160的原子0D，其對(duì)應(yīng)于NL=2. 05X IOV2的密度-長(zhǎng)度積。在閉合二能級(jí)系統(tǒng)中，OD可高達(dá)600甚至更高。二維磁光阱示例配置使得在長(zhǎng)軸方向上保留了原子的全部光學(xué)通道而在空間上不會(huì)與囚禁激光束發(fā)生干涉。而且，沿長(zhǎng)軸的零磁場(chǎng)使冷原子能夠在不關(guān)斷磁光阱磁場(chǎng)的情況下保持長(zhǎng)的基態(tài)相干時(shí)間，這使得以高重復(fù)率和高占空比對(duì)磁光阱進(jìn)行操作成為可能。該二維磁光阱對(duì)于基于原子系綜的量子光學(xué)的應(yīng)用(例如EIT、糾纏光子對(duì)產(chǎn)生、光學(xué)量子存儲(chǔ)和量子信息處理)是理想的。
一個(gè)示例配置使用了兩束正交的再抽運(yùn)激光束。在每束再抽運(yùn)激光束中，一條不透明的線被成像于二維磁光阱的長(zhǎng)軸上。不透明線被置于玻璃池外并且置于再抽運(yùn)光束的光路中以阻擋一部分光。使用透鏡來將金屬絲成像于二維磁光阱中的原子云中心，由此得到兩條不透明線的圖像。來自于兩個(gè)再抽運(yùn)光束的兩個(gè)金屬絲圖像的交疊在空間上產(chǎn)生 一條位于長(zhǎng)軸上的暗線，此處沒有再抽運(yùn)光。作為一個(gè)非限定的示例，不透明線由直徑為O. 6mm的銅線產(chǎn)生，兩個(gè)圖像是對(duì)該金屬絲成的像。
6束囚禁激光仍然覆蓋整個(gè)磁光阱。對(duì)比以前再抽運(yùn)光中沒有暗線的情形，暗線二維磁光阱能夠以更低的激光功率實(shí)現(xiàn)更高光學(xué)厚度的線狀冷原子囚禁。
結(jié)構(gòu)
該二維磁光阱裝置能夠產(chǎn)生高的光學(xué)厚度和低的基態(tài)解相率(即長(zhǎng)的相干時(shí)間)的激光冷卻原子系綜。該裝置包括可烘烤的超高真空吸收池、單束中空導(dǎo)線磁場(chǎng)線圈以及具有6束囚禁激光束的光學(xué)布置。該裝置的特征包括由磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的二維四極磁場(chǎng)以及能為冷原子保留了沿對(duì)稱軸方向的最大的光學(xué)通道的激光束布置。這套系統(tǒng)可以在高重復(fù)率下運(yùn)行，因?yàn)闊o需關(guān)斷磁場(chǎng)就可以獲得長(zhǎng)的原子基態(tài)相干時(shí)間。
圖I是具有八邊形玻璃池和磁場(chǎng)線圈的二維磁光阱裝置的示意圖，其示出了激光束的布置。圖I展示了二維磁光阱裝置的概觀，其包括可烘烤的緊湊超高真空腔體111、單束中空導(dǎo)線磁場(chǎng)線圈120、以及包含6束編號(hào)分別為131、132、133、134、135和136的囚禁激光束的光學(xué)布置。超高真空腔體111包括八邊形玻璃池140、六通真空腔143、連接著原子釋放器的連接線145、可烘烤的真空閥151、連接管153、渦輪分子泵161、以及離子泵163。玻璃池140、連接線145、真空閥151和連接管153都連接在六通真空腔143的六個(gè)接口上，如圖I所示。渦輪分子泵161連接于真空閥151的第二接口處。離子泵163連接到連接管153的第二接口處。渦輪泵161僅在預(yù)備真空的烘烤階段使用。在烘烤結(jié)束并且真空已經(jīng)預(yù)備好之后，離子泵163被啟動(dòng)，真空閥151被關(guān)閉，然后渦輪泵161被關(guān)閉。由于此后渦輪泵161不再使用，所以當(dāng)離子泵163正常工作后可以將渦輪泵從真空系統(tǒng)上拆除。因此，渦輪泵161也可以被標(biāo)準(zhǔn)的渦輪泵站取代。圍繞在玻璃池140周圍的是磁場(chǎng)線圈120。6束激光束在如圖I所示的以下方向上進(jìn)行布置一對(duì)相向傳播的光束131和132沿y軸垂直入射到大的玻璃窗口中心，另外兩對(duì)相向傳播的光束133和134、135和136相對(duì)于長(zhǎng)對(duì)稱軸即X軸呈45度角入射。
圖2A和圖2B是在兩個(gè)視角上得到的單線磁場(chǎng)線圈及其布線結(jié)構(gòu)的示意圖，其示出了磁場(chǎng)線圈120的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。磁場(chǎng)線圈120由單根中空導(dǎo)線或?qū)w制成，它的兩個(gè)接口221和222用于連接電流源。假定電流從接口 221流入從接口 222流出，圖2A和圖2B中的箭頭顯示了三維線圈結(jié)構(gòu)中的電流流向和布線方向。電流可以反向。采用單根導(dǎo)線可以消除零磁場(chǎng)點(diǎn)在空間上的波動(dòng)。單線設(shè)計(jì)還可以最小化線圈接頭的接觸電阻從而降低功率耗散。
圖3A和3B是八邊形玻璃池的示意圖。八邊形玻璃池140及其安裝夾具的詳細(xì)圖解見圖3A。圖中展示了八邊形玻璃腔體300、玻璃到金屬的轉(zhuǎn)接管315、以及金屬法蘭317。玻璃腔體300包括位于前面和后面的一對(duì)大窗口 331和332、以及7個(gè)較小的窗口 333-339(第8個(gè)小窗口的位置被轉(zhuǎn)接管315占據(jù))。
圖3B描繪了八邊形玻璃池140以及它與磁場(chǎng)線圈120和6束囚禁激光束131-136的布置。6激光束131-136按以下方式布置激光束131和132垂直于兩面大窗口 331和332入射，激光束133和134垂直于兩面小窗口 335和339入射，激光束135和136垂直于兩面小窗口 337和333入射。窗口 334、336和338被留空，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)保留了通道。另一種可選的方案是采用矩形的玻璃池。圖4A和圖4B是采用矩形玻璃池的示意圖。圖4A展示了第二種實(shí)例即采用矩形的玻璃真空吸收池401及其相應(yīng)的磁場(chǎng)和光學(xué)布置的示意圖。玻璃池401的詳細(xì)圖示見圖4A，它包括矩形玻璃腔體410、玻璃到金屬轉(zhuǎn)接管415、金屬法蘭417等。玻璃腔體410還包括4面矩形窗口 431-434和一對(duì)正方形窗口 435和 436。
圖4B描述了矩形玻璃池410以及它與磁場(chǎng)線圈120和6束囚禁激光束441-446的布置6束激光束被朝向4面矩形窗口配置,正方形的邊窗435和436被留空為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)保留光學(xué)通道。
圖5是具有矩形真空玻璃池401、磁場(chǎng)線圈和激光束配置的二維磁光阱裝置511的結(jié)構(gòu)示意圖?？傮w配置與圖I相同。
具有矩形玻璃池401的裝置也可用于建立沿長(zhǎng)軸的多個(gè)磁光阱。作為一個(gè)示例，圖6是示出兩個(gè)磁光阱被建立在單個(gè)矩形玻璃吸收池里的示意圖，其示出了具有矩形吸收池的兩個(gè)磁光阱配置。通過相同的二維四極磁場(chǎng)和兩組囚禁激光，兩個(gè)分離的磁光阱611和612如圖所示被產(chǎn)生。該原理上可以擴(kuò)展到多于兩個(gè)磁光阱的情形。
圖7A至圖7C是激光束在常規(guī)三維磁光阱(圖7A)、常規(guī)二維磁光阱(圖7B)以及所描述的二維磁光阱(圖7C)中的光束配置對(duì)比示意圖。
圖7C展示了 45度激光束配置的物理機(jī)制，并與圖7A中的常規(guī)三維磁光阱以及圖7B中的常規(guī)二維磁光阱中的光束配置相比較。如圖7A所示，在常規(guī)的三維磁光阱中，磁場(chǎng)713由具有反向電流的一對(duì)反亥姆赫茲線圈711和712產(chǎn)生。沿磁力線713的箭頭指示磁場(chǎng)方向。為了清楚顯示激光束是如何布置的，三維繪圖被分別投影到y(tǒng)-z和x-z平面上，此處的z是長(zhǎng)對(duì)稱軸。采用如圖7A所示的配置，在-Z軸位置磁場(chǎng)指向+z方向，而在+z軸位置磁場(chǎng)指向-Z方向,在-X (或_y)軸位置磁場(chǎng)指向-X (_y)方向，在+X (或+y)軸位置磁場(chǎng)指向+X (+y)方向。6束激光束714、715、716、717、718和719，以及它們的偏振根據(jù)磁場(chǎng)的方向進(jìn)行布置。此處圓偏振光的右旋(RHC)和左旋(LHC)是從接收者的觀察角度來定義的。
在三維磁光阱配置中，6束光的圓偏振狀態(tài)如圖7A所示在z軸上的兩束光714和715均為右旋圓偏振，其余4束均為左旋圓偏振。該系統(tǒng)具有沿z軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此在x-y平面上的X軸和I軸的選擇沒有偏重。在如圖7B所示的常規(guī)二維磁光阱配置中，磁場(chǎng)723可被等效為由4根直導(dǎo)線721、722、731和732產(chǎn)生，這產(chǎn)生了沿z軸的零磁場(chǎng)。在4光束二維磁光阱配置中，沿z軸沒有激光束。沿y和X方向的激光束726、727、728和729的偏振狀態(tài)如圖7B所示，并且它們都垂直于z軸。在這種配置下沿z軸沒有冷卻效應(yīng)，因此通常用于產(chǎn)生移動(dòng)的原子束。為了在z軸方向上提供附加的冷卻的效應(yīng)，在z軸上增加一對(duì)相向傳播的光束724和725.對(duì)這兩束激光的偏振沒有要求，因?yàn)檠貁軸的磁場(chǎng)為零。
根據(jù)本公開配置的二維磁光阱的6束激光束布置如圖7C所示。公開的這種二維磁光阱與常規(guī)二維磁光阱布置的不同之處在于，在y-z平面上的4束光并不沿磁場(chǎng)方向，也就是y和z軸。這4束激光734、735、736和737相對(duì)于z軸成45度角進(jìn)行布置。換言之，它們也與磁力線733成45度夾角。這4束激光均為左旋圓偏振。沿X軸的2束激光為右旋圓偏振，與常規(guī)設(shè)計(jì)的配置相同。這種獨(dú)特的光束配置不但可以獲得穩(wěn)定的高光學(xué)厚度的磁光阱，還為實(shí)驗(yàn)開放了沿z軸方向的全部光學(xué)通道。以上描述是作為一個(gè)示例而闡述。正如前面提到，激光束的偏振狀態(tài)與磁場(chǎng)方向密切相關(guān)。在以上圖7A、圖7B和圖7C的配置中，如果磁場(chǎng)方向反向(通過顛倒電流方向而獲得)，則需將原右旋圓偏振改為左旋圓偏振， 以及將左旋圓偏振改為右旋圓偏振。
圖8是85Rb原子的能級(jí)圖，以及所公開的二維磁光阱所需激光頻率的配置。6束囚禁激光束的頻率相對(duì)于|5S1/2，F(xiàn)=3> — |5P3/2，F(xiàn)=4>的躍遷紅失諧20MHz，總功率約100mW。再抽運(yùn)激光的頻率與|5S1/2，F(xiàn)=2>— |5P3/2，F(xiàn)=2>的躍遷共振，再抽運(yùn)激光與6束囚禁光束中的一束重疊，并且功率為10mW。
圖9A和圖9B為磁光阱中85Rb冷原子的熒光圖像，圖9A是從x方向觀察，圖9B是從I方向觀察。在圖9顯示的囚禁原子的熒光圖像表明被囚禁的原子數(shù)目約為IO8 109，溫度約為ΙΟΟμΚ。參照?qǐng)D3，圖9Α中的圖像是通過窗口 331或332獲取的，而圖9Β中的圖像則是通過轉(zhuǎn)接管315獲取的。
暗線二維磁光阱裝置
暗線二維磁光阱裝置產(chǎn)生具有高光學(xué)厚度和低基態(tài)解相率(或長(zhǎng)的相干時(shí)間)的激光冷卻的原子系綜。該裝置包括可烘烤的超高真空吸收池、二維四極磁場(chǎng)、至少6束囚禁激光束和2束正交的帶交叉暗線的再抽運(yùn)激光束。以下以85Rb原子為例進(jìn)行闡述。此處的原理性描述也可用于其他中性原子。
圖10Α到圖10C是暗線二維磁光阱裝置的原理示意圖。圖10Α是三維圖。圖10Β和圖10C分別是沿X-y和y-ζ平面的截面圖。85Rb原子D2線的能級(jí)以及磁光阱的激光對(duì)應(yīng)的躍遷與圖8所示類似，此處提供了一個(gè)應(yīng)用的實(shí)例。
磁光阱配置包括箭頭1010指示的電流流經(jīng)磁場(chǎng)線圈1009產(chǎn)生的二維四極磁場(chǎng)，6束囚禁光束1021、1022、1023、1024、1025和1026，2束再抽運(yùn)光束1027和1028以及交疊而成的暗線1034，如圖10C所示。沿X軸有一對(duì)相向傳播的囚禁激光束1021和1022。與常規(guī)二維和三維磁光阱的光束配置不同，其余4束囚禁光并非沿磁場(chǎng)的對(duì)稱軸布置。例如，在常規(guī)二維磁光阱配置中，這4束囚禁激光束沿y軸和X軸入射。與此相反，在現(xiàn)在的這種二維磁光阱裝置中，4束囚禁光1023、1024、1025和1026的入射方向與y和z軸成非零夾角(45度為最優(yōu))，如圖10C所示。由于原子沿長(zhǎng)軸即X軸被囚禁，這種配置為沿原子線方向開放了全部的光學(xué)通道，并且在該方向上可獲得高的光學(xué)厚度。圖10A、圖10B和圖10C分別描述了磁場(chǎng)線圈電流的方向和磁場(chǎng)，以及6束囚禁激光束的ο+和ο—偏振狀態(tài)。為了有效的利用囚禁激光的功率，2束45度角的光束穿過1/4波片1044和1046然后被反射鏡1035和1036沿原路反射，如圖IOC所示。使用了 2束再抽運(yùn)激光束。再抽運(yùn)光束1027與沿X軸的囚禁光束1021重疊。再抽運(yùn)光束1028沿y軸方向布置。在每一再抽運(yùn)光束中都有一條不透明線。這些暗線的像通過光路上的透鏡成像系統(tǒng)交疊在二維磁光阱的中心，從而產(chǎn)生沿z軸的再抽運(yùn)光束暗線1034。在暗線區(qū)域，原子被抽運(yùn)到黑態(tài)上與囚禁光脫耦，從而避免了囚禁光導(dǎo)致的輻射陷獲 損耗和加熱。在85Rb 二維磁光阱的示例中，囚禁激光的頻率相對(duì)于 |5S1/2，F(xiàn)=3>— |5P3/2，F(xiàn)=4> 躍遷紅失諧 20MHz，再抽運(yùn)光頻率與 | 5S1/2，F(xiàn)=2> — 5P3/2,F=2>躍遷共振。囚禁激光束和再抽運(yùn)激光束的直徑均為2cm。囚禁激光和再抽運(yùn)激光的總功率分別為40mW和18mW。
圖IOA到圖IOC展示的是由單束正方形截面的中空銅線制成的水冷磁場(chǎng)線圈，類似于圖2A和2B所示。圖IlA和圖IlB描繪了磁場(chǎng)線圈1009產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這種線圈具有的小電感( 100 μ H)使得我們可以快速地開啟和關(guān)斷磁場(chǎng)。如果要求原子基態(tài)相干時(shí)間大于10 μ S，則必須對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行操控。在測(cè)量期間不關(guān)斷二維磁光阱的四極磁場(chǎng)的情況下，獲得兩個(gè)基態(tài)能級(jí)之間的解相率為Y12=2 Χ0. 03MHz，對(duì)應(yīng)的相干時(shí)間為τ 12=5. 3μ S。如果幾μ s的相干時(shí)間對(duì)于應(yīng)用而言已經(jīng)足夠長(zhǎng)，則可以在所有時(shí)間保留四極磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)線圈也可以簡(jiǎn)化。在這種情況下,磁場(chǎng)線圈1009可以被4只獨(dú)立的線圈(1111，1112，1113，和1114)取代，如圖IlA所示。每只線圈都由多匝導(dǎo)線繞制，因此可以通以較小的電流來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而無需附加水冷。這樣的靜態(tài)四極磁場(chǎng)也可以用4只永磁體條(1131，1132，1133，和1134)按照?qǐng)DIlB所示的配置產(chǎn)生。采用永磁體條可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)并降低功耗，因?yàn)樗鼈儫o需任何電源。前面所述的水冷也可以用其它液體冷卻代替。
因此，磁場(chǎng)可以在實(shí)驗(yàn)期間保持連續(xù)，而同時(shí)維持達(dá)5 μ s的基態(tài)相干時(shí)間。磁場(chǎng)可以被關(guān)斷以便得到大于5μ s的基態(tài)相干時(shí)間。
暗線二維磁光阱可以實(shí)現(xiàn)圖I中二維磁光阱裝置的功能。在圖9Α和圖9Β中顯示的85Rb冷原子的熒光圖像同樣代表了暗線磁光阱裝置獲得的冷原子熒光圖像。EIT測(cè)量結(jié)果被用來表征二維磁光阱的特性。EIT作為一種原子躍遷間的量子干涉現(xiàn)象被廣泛用于操控原子介質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)。它還被廣泛應(yīng)用于慢光、非線性波混頻、光學(xué)開關(guān)、糾纏光子對(duì)產(chǎn)生、光學(xué)量子存儲(chǔ)以及量子信息處理等方面。下面以85Rb 二維磁光阱中完成的測(cè)量為例進(jìn)行闡述。
圖12Α至圖12C是EIT測(cè)量方案的原理示意圖，并展示了 EIT的初步結(jié)果。圖12Α和圖12Β顯示了弱的探測(cè)激光束1211和耦合激光束1212。耦合光束1212與探測(cè)光束1211之間具有夾角。作為一個(gè)非限定的例子，激光束1211和1222之間的夾角被設(shè)為3度。圖12Α是與EIT相關(guān)的85Rb原子Dl線(795nm)能級(jí)圖，圖12B是EIT光學(xué)裝置，圖12C是磁光阱和EIT測(cè)量的時(shí)序。Λ型EIT系統(tǒng)由以下三個(gè)能級(jí)構(gòu)成
11>= I 5S1/2, F=2>, I 2>= | 5S1/2, F=3>,以及 | 3>= | 5P1/2, F=3>。
如圖12B所示，弱的探測(cè)激光(ωρ)束1211沿二維磁光阱的長(zhǎng)軸(z軸)傳播并聚焦于磁光阱中心，束腰處的Ι/e2光束直徑為245 μ m。通過掃描激光頻率穿過11> — I 3>躍遷用光電倍增管來探測(cè)吸收譜。為了確保研究的是線性傳播效應(yīng)，探測(cè)光的功率足夠低使得原子布居基本上仍然保持在I態(tài)上。校準(zhǔn)的耦合激光束1202的頻率(ω。)與I 2> — | 3>躍遷共振，1/e2光束直徑為I. 6mm，與探測(cè)光束成3度角穿過冷原子云。為了使EIT效應(yīng)最優(yōu)化，探測(cè)和耦合激光束具有相同的圓偏振σ+。采用周期性測(cè)量。每周期為T=5ms，其中磁光阱的囚禁時(shí)間設(shè)為tMQT=4. 2ms，測(cè)量任務(wù)窗口(包含態(tài)制備和EIT測(cè)量)時(shí)間設(shè)為tduty=0. 8ms。每次在磁光阱囚禁時(shí)間結(jié)束時(shí)，再抽運(yùn)光關(guān)斷之后，囚禁激光保留一個(gè)附加時(shí)間At=O. 3ms用于將所有原子光抽運(yùn)到基態(tài)11>上，這將使得EIT效果更好。為了在任務(wù)窗口中縮短這
O.3ms的時(shí)間，可以附加一束共振激光在短得多的時(shí)間(< 50μ s)內(nèi)更有效的實(shí)現(xiàn)原子抽運(yùn)。原子被制備到基態(tài)11>上之后，探測(cè)和(或)耦合激光被打開，以在任務(wù)窗口內(nèi)完成吸收測(cè)量。該公開的裝置也可用于囚禁87Rb和其它堿金屬原子。
圖13Α和圖13Β顯示了暗線二維磁光阱的吸收測(cè)量的主要結(jié)果。圖13Α展示了0D=140時(shí)二能級(jí)系統(tǒng)和EIT系統(tǒng)中的探測(cè)吸收譜輪廓。當(dāng)耦合激光不存在時(shí)(Ωε=0)，ΕΙΤ退化為二能級(jí)系統(tǒng)，并且探測(cè)激光在共振處獲得最大吸收，如圖13Α所示。圖13Β是描述了測(cè)得的OD作為兩個(gè)原子釋放器的電流的函數(shù)的曲線圖。耦合激光的開啟Χ10. 5MHz)為介質(zhì)提供了一個(gè)狹窄的透明窗口，如圖13A所示。在沒有暗線時(shí)操作二維磁光阱，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流到達(dá)3. 5A時(shí)，OD就趨于一個(gè)飽和值60，如曲線1301所示。在暗線二維磁光阱配置下，原子釋放器通高電流時(shí)，OD明顯增加至130，如曲線1302所示。在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，由于存在散射、衍射、成像系統(tǒng)不完美等因素，暗線處的再抽運(yùn)光束并不完全黑暗。為了解決這一問題，在磁光阱囚禁時(shí)間里以很弱的功率(IOyW)開啟耦合激光作為退布居光束。在退布居光束存在的情況下，當(dāng)原子釋放器的電流為3. 5A時(shí)，觀測(cè)到OD由130略微增加到140，如曲線1303所示。對(duì)原子釋放器通更大電流可以獲得更高的0D。
系統(tǒng)性能的另一個(gè)重要參數(shù)是占空比，它定義為任務(wù)窗口的時(shí)間長(zhǎng)度占整個(gè)周期的比例
V=y- ⑴
由于磁光講時(shí)間和用于EIT的任務(wù)窗口必須被分隔在不同的時(shí)間區(qū)間，因此占空比反映了冷原子的利用率。在任務(wù)窗口期間，由于存在背景碰撞、自由擴(kuò)散、在重力場(chǎng)中下落等因素，一些原子會(huì)從阱中損失掉。因此，當(dāng)占空比增加時(shí)光學(xué)厚度會(huì)降低。以上在0D=140時(shí)進(jìn)行的測(cè)量占空比為η=16%。占空比可通過改變磁光阱的囚禁時(shí)間tMQT或任務(wù)時(shí)間tduty來調(diào)節(jié)。
圖14是描述了通過原子釋放器的電流為3. 5A時(shí)測(cè)得的OD作為占空比的函數(shù)的曲線圖。當(dāng)占空比減小為8%時(shí)，可獲得更高的OD (160)。占空比增加到35%，OD仍然高于100。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，OD約為50就已經(jīng)足夠，所以有可能在占空比為55%時(shí)運(yùn)行二維磁光阱。如果只需要OD為10，那么有可能把占空比增加到80%。
以上所提到的OD是對(duì)應(yīng)于EIT三能級(jí)的情形，此處I 1> — I 3>為開放躍遷，吸收
截面為σ 3=」_一'此處λ ρ是共振時(shí)的探測(cè)激光波長(zhǎng)。令原子密度為N，光學(xué)厚度可被表
27 1π
達(dá)為OD=CIciL=Ng 13L。因此，原子密度N與長(zhǎng)度L之積不依賴于所選擇態(tài)的躍遷強(qiáng)度。當(dāng)0D=160時(shí)，85Rb暗線二維磁光阱系統(tǒng)可獲得NL = 2. 05X 1015m_2。在閉合的二能級(jí)系統(tǒng)中，
如I 5S1/2, F=3, Mf=3> — I 5P3/2,F=4, Mf=4>中，吸收截面成為％ = ^，此時(shí)可能獲得超過600



2π的OD。
結(jié)論應(yīng)當(dāng)理解，在所附權(quán)利要求
中所表達(dá)的本發(fā)明原理和范圍之內(nèi)，此處用于解釋主題的本質(zhì)所做的描述和闡述，可以從細(xì)節(jié)、材料、步驟和各部分的布置等方面被進(jìn)行很多附加的改動(dòng)。此處的原理性描述可以被用于冷卻和囚禁其它中性原子，但需要不同波長(zhǎng)的囚禁和再抽運(yùn)激光。
權(quán)利要求
1.一種二維磁光阱裝置，包括 可烘烤的超高真空吸收池； 三維磁場(chǎng)線圈，其能夠建立二維的四極磁場(chǎng)；以及 6+2n束囚禁激光束，其中η為整數(shù)，根據(jù)二維四極磁場(chǎng)的對(duì)稱性對(duì)所述囚禁激光束進(jìn)行布置， 其中所述囚禁激光束包括與長(zhǎng)對(duì)稱軸成非零度角布置的2+η對(duì)相向傳播的激光束以及垂直于長(zhǎng)對(duì)稱軸的至少一對(duì)相向傳播的激光束。
2.權(quán)利要求
I的二維磁光阱裝置，其中所述與長(zhǎng)對(duì)稱軸成非零度角布置的相向傳播的激光束與長(zhǎng)對(duì)稱軸之間具有45度角的目標(biāo)布置。
3.權(quán)利要求
I的二維磁光阱裝置，其中η的值為I，從而所述囚禁激光束包含3對(duì)相向傳播的激光束。
4.權(quán)利要求
I的二維磁光阱裝置，其中所述可烘烤的超高真空吸收池包括玻璃池腔體、玻璃到金屬的轉(zhuǎn)接管和金屬法蘭。
5.權(quán)利要求
4的二維磁光阱裝置，其中所述玻璃池腔體具有八邊形或者矩形中的一種形狀。
6.權(quán)利要求
I的二維磁光阱裝置，其中所述三維磁場(chǎng)線圈包括帶有液體冷卻通道的單根中空導(dǎo)線或者導(dǎo)體。
7.權(quán)利要求
I的二維磁光阱裝置，其中所述三維磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生具有沿對(duì)稱軸的零磁場(chǎng)線的二維四極磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間保持持續(xù)存在的同時(shí)，維持基態(tài)相干時(shí)間達(dá)5 μ S。
8.權(quán)利要求
I的二維磁光阱裝置，其中所述三維磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生具有沿對(duì)稱軸的零磁場(chǎng)線的二維四極磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間被關(guān)閉以獲得長(zhǎng)于5μ s的基態(tài)相干時(shí)間。
9.一種暗線二維磁光阱裝置，包括 原子源； 可烘烤的超高真空吸收池； 二維四極磁場(chǎng)； 至少6束囚禁激光束；以及 2束帶有暗線的正交的再抽運(yùn)激光束，所述暗線沿著長(zhǎng)軸在中心處相交， 其中所述囚禁激光束包含與長(zhǎng)對(duì)稱軸成非零度角布置的2+η對(duì)相向傳播的光束以及垂直于長(zhǎng)對(duì)稱軸的至少一對(duì)相向傳播的激光束。
10.權(quán)利要求
9的暗線二維磁光阱裝置，其中所述與長(zhǎng)對(duì)稱軸成非零度角布置的2+η對(duì)相向傳播的激光束與長(zhǎng)對(duì)稱軸具有45°的目標(biāo)角度。
11.一種用于產(chǎn)生二維磁光阱中心的再抽運(yùn)激光暗線的方法,包括 在每一束再抽運(yùn)光束中，使用透鏡成像系統(tǒng)將不透明線成像到二維磁光阱的長(zhǎng)軸上。
12.權(quán)利要求
11的方法，其中兩條線的圖像的交疊產(chǎn)生了沿長(zhǎng)軸方向的其中不存在再抽運(yùn)光的暗線區(qū)域。
13.權(quán)利要求
11的方法,進(jìn)一步包括 使用6+2η束囚禁激光束，其中η為整數(shù)，并且根據(jù)二維四極磁場(chǎng)的對(duì)稱性對(duì)所述囚禁激光束進(jìn)行布置，其中所述囚禁激光束包括與長(zhǎng)對(duì)稱軸成非零度角布置的2+η對(duì)相向傳播的激光束以及垂直于長(zhǎng)對(duì)稱軸的至少一對(duì)相向傳播的激光束。
14.權(quán)利要求
13的方法，進(jìn)一步包括使用與長(zhǎng)對(duì)稱軸成非零度角布置的相向傳播的激光束來建立與長(zhǎng)對(duì)稱軸成45度角的目標(biāo)布置。
15.權(quán)利要求
13的方法，其中所述η的值為I，從而所述囚禁激光束包含3對(duì)相向傳播的光束。
16.權(quán)利要求
13的方法，進(jìn)一步包括使用的可烘烤的超高真空吸收池包括玻璃池腔體、玻璃到金屬的轉(zhuǎn)接管和金屬法蘭，其中所述玻璃池腔體具有八邊形或者矩形中的一種形狀。
17.權(quán)利要求
13的方法，進(jìn)一步包括使用三維磁場(chǎng)線圈以產(chǎn)生具有沿對(duì)稱軸的零磁場(chǎng)線的二維四極磁場(chǎng)；以及 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間一直維持磁場(chǎng)存在，同時(shí)維持大于10 μ s的基態(tài)相干時(shí)間。
專利摘要
提供了一種用于堿金屬中性原子的二維(2D)磁光阱(MOT)，其沿長(zhǎng)對(duì)稱軸建立零磁場(chǎng)。3對(duì)囚禁激光束中的2對(duì)不沿四極磁場(chǎng)的對(duì)稱軸，而是與長(zhǎng)軸成大的非零度夾角布置。在暗線二維磁光阱配置中，存在兩束正交的再抽運(yùn)光束。在每一束再抽運(yùn)光中有一條不透明線被成像于長(zhǎng)軸上，并且兩條圖像的交疊形成一條位于長(zhǎng)軸上的暗線區(qū)域，此處沒有再抽運(yùn)光。沿長(zhǎng)軸的零磁場(chǎng)區(qū)域可以使冷原子保持長(zhǎng)的基態(tài)相干時(shí)間而無需關(guān)斷磁光阱的磁場(chǎng)，這使高重復(fù)率和高占空比地對(duì)磁光阱進(jìn)行操作成為可能。
文檔編號(hào)G21K1/00GKCN102969038SQ201210313637
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年8月29日
發(fā)明者杜勝望, 張善超, 周蜀渝, 殷光裕, 欽梅·貝爾坦加蒂 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan