CN106847362B - 基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源，涉及冷原子物理领域的冷原子源。本冷原子源包括第1级二维磁光阱（10）、第2级二维磁光阱（20）和波纹管（30）；第1级二维磁光阱（10）、波纹管（30）、第2级二维磁光阱（20）和三维磁光阱（40）依次连接；第1中心轴线（112）和第2中心轴线（212）的夹角θ为0～30º。本发明能使三维磁光阱在装载效率最高的情况下，既增加原子数目，又提高原子云的寿命，这个特性尤其是在MOT以后的冷却过程中作用明显；将为基于冷原子精密测量技术提供优异的原子源。
Description
技术领域
本发明涉及冷原子物理领域的冷原子源，尤其涉及一种基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源。
背景技术
在冷原子研究领域，制备出大数量、低温度的冷原子源是开展基础和应用研究的前提。三维磁光阱【MOT】是制备冷原子源的有效途径，可参看【New Journal of Physics 12(2010) 095009，Nature 400（1999）849等】。一般情况下，磁光阱能在数秒内从原子背景蒸汽中装载约108～109个原子，并将之冷却到数十微开量级。
磁光阱在装载原子过程中，如果背景真空度较高，原子背景蒸汽压比较小时，初始装载速率将比较慢，达到平衡状态的原子数也比较少，但由于其背景碰撞小，原子团寿命较长；而当原子背景蒸汽压比较大时，初始装载速率将比较快，达到平衡状态的原子数较多，但由于其过高的背景碰撞率，使其原子团寿命迅速变短。即在较高的原子背景蒸汽下，可以较快地获得数量很大的原子团，但其寿命由于背景碰撞的影响下，迅速变短。【Phys.Rev.A.58, 3891, Phys.Rev.A.66, 23410，1984，PhysRevA38,1599】
然而，在冷原子研究中，往往要求原子团的原子数量既多，寿命又长。
如在原子干涉仪实验上对MOT的要求是缩短两次上抛原子的间隔（因MOT参数改变，会增加实验的原子数和温度的run-to-run起伏误差），同时为了缩短实验周期，所以快速装载MOT是对其重要要求之一，已有试验可做到40ms装载109个原子【Phys.Rev.Lett.114（2015）013001】。对MOT收集原子数目的要求是，与数目成开根号反比的量子投影噪声在实验中不是最大的噪声来源【Phys.Rev.A.81,043633 (2010)】。干涉仪实验中自由飞行时间 是制约灵敏度和分辨率的重要因素。这就要求MOT腔中背景压强不能太高；太低会降低MOT 初始装载率，增长了实验周期。
为满足这一需求，人们设计了塞曼减速器【J. Opt. Soc. Am. 1993. B10:2257】，双磁光阱等【Phys.Rev.A. 77, 065402】等技术，并发展了二维磁光阱【Phys.Rev.A.58, 3891, Phys.Rev.A.66, 23410】技术。在这些系统中，初始位置装载原子束的背景一般接近饱和蒸汽压（～10-5帕），这样就为原子的装载提供了足够的背景蒸汽压，另一方面，通过真空差分管道，与磁光阱腔相连，使两边保持较高的真空差，并使原子束流通过管道高效运输到高真空磁光阱腔，从而实现大数量、长寿命的原子团。2010年澳大利亚国立大学组利用二维磁光阱经过10秒左右可装载2×109个原子【Rev, Sci, Instrum, 81,063103】、斯坦福大学的M. Kasevich 组利用二维磁光阱装载3DMOT，包含4×109个铷原子【T. Kovachy, New Techniques for precision atom Interferometry andapplications to fundamental tests of gravity and of Quantum mechanics, PhDthesis, Standord University, 2016.】、1998年韩殿君使用塞曼减速器用15秒装载空间域上的暗磁光阱，其中原子数目5×109个,获得了170秒的衰减寿命【PhysRevA 57,R4114】、2010年G.Tino的二维磁光阱装载率可达到~1010 atoms/s，最终装载3DMOT包含4-6×109个原子【New J.Phys.12, 095009】,在当前这些方案中，二维磁光阱是最常用的冷原子束源实现方案之一。
虽然二维磁光阱目前已经较为成熟，但仍然存在一定缺陷：一方面，为了获得更大的原子束流，往往采用提高背景蒸汽压来提高装载效率和数量，但饱和蒸汽通过差分孔扩散将增加杂散背景原子【Rev, Sci, Instrum, 81（2010） 063103】，使另一级腔室的真空度变差，同时，由于二维磁光阱的出口直接对准磁光阱中心位置，高的背景蒸汽压将有相当数量高速原子直接与磁光阱中的原子发生碰撞，可直接将3DMOT中原子撞出陷缚区域【J.Opt.Soc.Am.9（1992）2142】；另一方面，为了尽可能提高另一级受到的真空度，我们往往采用大倍率的差分管道来连接两级真空，据目前技术水平【Rev, Sci, Instrum, 81,（2010）063103】单级真空差分可到104。然而，实现这种技术意味着使用更细更长的差分管道，这又将加剧冷原子束在管道传输过程中的损失，其损失后的原子进一步扩散也将影响更高一级真空腔的真空度。
综上所述，当前二维磁光阱的主要技术参数之间存在着制约关系：一方面，提高背景蒸汽压将提高原子装载效率，但这将降低更高级真空腔真空度并带来更大的热原子束，导致碰撞率增加；另一方面，增加真空管状差分的倍数，将提高更高级真空腔真空度，但将削弱原子束流强度。
通过【PhysRevA.58,3891,PRA66,23410】我们可以得知：
原子束中速度过快的原子将不能被3DMOT俘获，且会与3DMOT中的原子发生碰撞，造成背景原子数损失。所以需要将速度过快的原子滤去，常用方法有二维磁光阱加上push+retral光【PhysRevA.58,3891】，轴向也冷却原子，可将原子的速度分布压制在很小的范围。
若原子通过弯曲的连接管道，用光的作用改变原子轨迹使速度小的原子被回收并做横向冷却，其中不满足偏转条件的原子受到冷却光和磁场的作用不足以明显改变轨迹，所以可以认为被剔除。中间腔的压强因为与第一个2DMOT之间的差分，其真空度较饱和蒸汽压低，但仍维持高束流。同时与我们构型相似的有【Phys.Rev.Lett.64（1990）1658】【Appl.Phys.B 70:665(2000)】等，有一中间真空腔是由原子束装载，并可用光学移动黏胶从中耦合出冷原子束。
由此可见，前述的现有技术存在如下缺陷：关断原子束后，满足特定条件（位于轴线附近的速度沿轴向）的背景热扩散原子仍然会进入高真空腔，并且会与原子云直接相互作用和增加3DMOT区背景原子，与原子云间接相互作用，缩短寿命。所以实验上需要增加一种能够比较彻底关断原子束的结构。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有二维磁光阱原子源技术在主要技术参数上彼此制约导致的缺点和不足，提供一种基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源。
本发明的目的是这样实现的：
本冷原子源包括第1级二维磁光阱、第2级二维磁光阱和波纹管；
第1级二维磁光阱、波纹管、第2级二维磁光阱和三维磁光阱依次连接；
第1中心轴线和第2中心轴线的夹角θ为0～30º。
本发明具有下列优点和积极效果：
①通过两级二维磁光阱结构，可以极大降低对单个连接管道高倍率差分的要求；一方面，两级差分管道的组合差分效果将比单个更为理想，既提高一级腔的背景蒸汽压，使原子装载效率和数量提高，又提高主真空腔真空度，提高原子团寿命；另一方面，这将大大减少原子束与差分管道碰撞带来的数量损失及其带来的气体扩散影响。
②通过两级磁光阱轴线之间存在的小偏角，使从第一级二维磁光阱差分口出射的背景原子束不能直接通过第二级二维磁光阱差分口，从而使磁光阱原子团避免了背景热原子束的碰撞，在激光关闭的状态下，保持最小的背景碰撞率。
③通过第二级二维磁光阱的冷却激光组作用，使前一级二维磁光阱冷却的冷原子方向得以偏转，并从第二级二维磁光阱差分口中射出，而速度更快的背景热原子由于偏转位移较小，而被真空壁阻挡，无法进入第二级二维磁光阱差分口，而这部分原子由于速度太快，也不能被三维磁光阱捕获，只能产生碰撞损失等负面效应。
总之，本发明能使MOT在装载效率最高的情况下，既增加原子数目，又提高原子云的寿命，这个特性尤其是在MOT以后的冷却过程中作用明显；将为基于冷原子精密测量技术提供优异的原子源。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：
A—推载光，B—原子轨迹；
10—第1级二维磁光阱，
11—第1级真空腔，
111—第1差分孔，112—第1中心轴线，
12—第1冷却激光组，
13—第1反亥姆霍兹线圈组，
14—铷源；
20—第2级二维磁光阱，
21—第2级真空腔，
211—第2差分孔，212—第2中心轴线，
22—第2冷却激光组，
23—第2反亥姆霍兹线圈组，
24—离子泵；
30—波纹管；
40—三维磁光阱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对冷原子源详细说明：
一、总体
如图1，本冷原子源包括第1级二维磁光阱10、第2级二维磁光阱20和波纹管30；
第1级二维磁光阱10、波纹管30、第2级二维磁光阱20和三维磁光阱40依次连接；
第1中心轴线112和第2中心轴线212的夹角θ为0～30º。
二、功能部件
1、第1级二维磁光阱10
第1级二维磁光阱10包括第1级真空腔11、第1冷却激光组12、第1反亥姆霍兹线圈组13和铷源14；
在第1级真空腔11的上下前后各面均分别设置有第1反亥姆霍兹线圈组13和第1冷却激光组12，在第1级真空腔11的右端口连接有铷源14。
（1）第1级真空腔11
第1级真空腔11是一种不锈钢制的长方体腔，其上下前后各面均分别设置有长方形窗口，每个窗口铟封一片矩形玻璃窗片，腔体左右两面均分别设置有真空CF法兰刀口，腔内充满原子饱和蒸气；
（2）第1冷却激光组12
第1冷却激光组12包括2组对称的扩束镜和反射镜，分别设置于第1级真空腔11上下前后的长方形窗口的外侧，每个扩束镜的输出包括冷却光和回泵光，反射镜的上、下表面分别镀有四分之一波片膜和增反膜。
（3）第1反亥姆霍兹线圈组13
第1反亥姆霍兹线圈组13包括4个矩形线圈，分别固定在于第1级真空腔11上下前后的长方形窗口的外壁。
（4）铷源14
铷源14作为工作物质源，是用来产生铷原子的标准化通用器件，本身的真空CF法兰接口与第1级真空腔11连接。
2、第2级二维磁光阱20
第2级二维磁光阱20包括第2级真空腔21、第2冷却激光组22、第2反亥姆霍兹线圈组23和离子泵24；
在第2级真空腔21的上下前后各面均分别设置有第2反亥姆霍兹线圈组23和第2冷却激光组22，在第2级真空腔21的右上方端口连接有离子泵24。
（1）第2级真空腔21
第2级真空腔21是一种不锈钢制的长方体空腔，其上下前后各面均分别设置有长方形窗口，其左右两面均分别设置有真空CF法兰刀口，其右上方设置有真空CF法兰刀口用于连接离子泵24；
（2）第2冷却激光组22和第2反亥姆霍兹线圈组23其结构分别与上述的第1冷却激光组12和第1反亥姆霍兹线圈组13一样。
（3）离子泵24
离子泵24是一种用来维持高真空的的标准化通用产品。
通过第2级真空腔21上面的真空CF法兰接口与之连接。
三、工作机理
试验时，在本冷原子源整个结构的左侧还要连接三维磁光阱腔40。
使用组合前级泵将第1、2级真空腔11、21内的压强到达预定值，并且使第1、2差分孔111、211和离子泵24保持第1、2级真空腔11、21和三维磁光阱40的真空压强梯度（真空压强递减）。
加大电流以激活铷源14，使第1级真空腔11内部充满铷饱和蒸气压，其压强值可通过改变铷源14的电流大小来调节。
第1反亥姆霍兹线圈组13和第2组反亥姆霍兹线圈组23接通电流产生与腔体表面垂直的梯度磁场，磁场梯度的数值可以通过改变通过线圈组的电流来调节。
第1冷却激光组12和第2冷却激光组22中的冷却光和回泵光打开后与其反射光、推载光A和矩形线圈组提供的梯度磁场共同作用于原子，原子汇聚到第1中心轴线112成为沿轴线112其飞行的冷原子束，通过第1差分孔111和波纹管30进入第2级真空腔21；第2级真空腔21的冷却光、回泵光、磁场结构与第1级二维磁光阱10相同，可将促使被抓捕的原子沿第2中心轴线212飞行。
由于两个腔体的中心轴线存在一个可调夹角θ，使得第1级真空腔11、第2级真空腔21、波纹管30构成一个原子速度的低通滤波器；当夹角一定时，横向速度大于抓捕速度的原子，则第2级二维磁光阱20将不能捕获该原子；因为第一级二维磁光阱10出射的原子束中原子速度分布较宽，因此调节夹角θ大小可以调节最终从第2级二维磁光阱21的第2差分孔211出射的低速原子与原子总数的比例。
综上所述，本发明能使三维磁光阱在装载效率最高的情况下，既增加原子数目，又提高原子云的寿命，解决目前单级二维磁光阱在装载效率与真空差分这个问题上的矛盾，并将热原子束的碰撞效应减小到最少；将为基于冷原子精密测量技术，特别是以超冷原子团为载体的精密测量研究提供优异的原子源。
Claims (3)
1.一种基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源，其特征在于：
包括第1级二维磁光阱(10)、第2级二维磁光阱(20)和波纹管(30)；
第1级二维磁光阱(10)、波纹管(30)、第2级二维磁光阱(20)和三维磁光阱(40)依次连接；
第1中心轴线(112)和第2中心轴线(212)的夹角θ为0～30°。
2.按权利要求1所述的基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源，其特征在于：
所述的第1级二维磁光阱(10)包括第1级真空腔(11)、第1冷却激光组(12)、第1反亥姆霍兹线圈组(13)和铷源(14)；
在第1级真空腔(11)的上下前后各面均分别设置有第1反亥姆霍兹线圈组(13)和第1冷却激光组(12)，在第1级真空腔(11)的右端口连接有铷源(14)；
第1级真空腔(11)是一种不锈钢制的长方体腔，其上下前后各面均分别设置有长方形窗口，每个窗口铟封一片矩形玻璃窗片，腔体左右两面均分别设置有真空CF法兰刀口，腔内充满原子饱和蒸气；
第1冷却激光组(12)包括2组对称的扩束镜和反射镜，分别设置于第1级真空腔(11)上下前后的长方形窗口的外侧，每个扩束镜的输出包括冷却光和回泵光，反射镜的上、下表面分别镀有四分之一波片膜和增反膜；
第1反亥姆霍兹线圈组(13)包括4个矩形线圈，分别固定在于第1级真空腔(11)上下前后的长方形窗口的外壁。
3.按权利要求1或2所述的基于双级二维磁光阱的大束流冷原子源，其特征在于：
所述的第2级二维磁光阱(20)包括第2级真空腔(21)、第2冷却激光组(22)、第2反亥姆霍兹线圈组(23)和离子泵(24)；
在第2级真空腔(21)的上下前后各面均分别设置有第2反亥姆霍兹线圈组(23)和第2冷却激光组(22)，在第2级真空腔(21)的右上方端口连接有离子泵(24)；
第2级真空腔(21)是一种不锈钢制的长方体空腔，其上下前后各面均分别设置有长方形窗口，其左右两面均分别设置有真空CF法兰刀口，其右上方设置有真空CF法兰刀口用于连接离子泵(24)；
第2冷却激光组(22)和第2反亥姆霍兹线圈组(23)其结构分别与第1冷却激光组(12)和第1反亥姆霍兹线圈组(13)一样。
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- 2017-01-23 CN CN201710057133.6A patent/CN106847362B/zh active Active
Patent Citations (4)
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