CN115055219B - 一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，与实验腔体连通，其包括：玻璃腔体，用于接收待冷却原子；真空腔体组件，用于维持玻璃腔体与实验腔体之间的压强差，并为冷却后的原子团提供传输通道；水平方向冷却装置，用于将水平冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团水平方向上的温度进行冷却；竖直方向冷却装置，用于将竖直冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团竖直方向上的温度进行冷却；梯度磁场线圈组件，用于提供梯度磁场；原子团推送组件，设置在玻璃腔体一侧，用于发射一组推送激光将冷却后的原子团从玻璃腔体中推送至实验腔体中。本发明能够使原子团的温度更低、光学厚度更高、原子通量更大。

Description

一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统

技术领域

本发明涉及冷原子技术领域，尤其涉及的是一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统。

背景技术

在冷原子领域，特别是原子传感技术中，系统的散粒噪声主要受限于原子数目，同时又需要超高真空环境，而直接从超高真空环境中囚禁冷却原子效率低下。为了提供高通量以及低速度的原子束，一般会采用二维磁光阱等方式对原子团实行预冷却。

但是，传统的二维磁光阱前级冷却技术只能冷却原子团在推送光径向两个方向上的温度，对推送光轴向方向上的温度没有冷却效果，这会使得轴向未被冷却的原子不能被有效利用，使推送光轴向上原子束的光学厚度低，能推送至实验腔体中的的原子束流有限。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，以解决传统的二维磁光阱前级冷却技术只能冷却原子团在推送光径向两个方向上的温度，对推送光轴向方向上的温度没有冷却效果所导致的能推送至实验腔体中的原子束有限的问题。

本发明的技术方案如下：

一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，与实验腔体连通，其包括：

玻璃腔体，用于接收待冷却原子；

真空腔体组件，连通于所述玻璃腔体与所述实验腔体之间，用于维持所述玻璃腔体与所述实验腔体之间的压强差，并为冷却后的原子团提供传输通道；

水平方向冷却装置，位于所述玻璃腔体的径向方向上，用于将水平冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团水平方向上的温度进行冷却；

竖直方向冷却装置，位于所述玻璃腔体的轴向方向上，用于将竖直冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团竖直方向上的温度进行冷却；

梯度磁场线圈组件，设置在所述玻璃腔体上并用于提供梯度磁场；所述水平方向冷却激光、所述竖直方向冷却激光与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构；

原子团推送组件，设置在所述玻璃腔体一侧，用于发射一组推送激光将冷却后的原子团从所述玻璃腔体中推送至所述实验腔体中。

本发明的进一步设置，所述真空腔体组件包括：

方形真空腔体，连通在所述玻璃腔体与所述实验腔体之间；

差分管，设置在所述方形真空腔体内，并连通所述方形真空腔体与所述实验腔体；

第一真空泵，与所述方形真空腔体连接，所述玻璃腔体通过所述方形真空腔体与所述第一真空泵连通；

第二真空泵，与所述方形真空腔体连接，所述实验腔体通过所述方形真空腔体与所述第二真空泵连通。

本发明的进一步设置，所述方形真空腔体内设置有固定部，所述差分管固定在所述固定部上；其中，所述固定部与所述差分管的接触面采用铟丝密封；

所述方形真空腔体的侧面具有四个面，每个面上设置有有通孔，所述方形真空腔体对角线上的相邻两个面之间通过所述通孔连通。

本发明的进一步设置，所述水平冷却激光包括：第一水平冷却激光与第二水平冷却激光；

所述水平方向冷却装置包括：第一水平方向冷却组件与第二水平方向冷却组件；

所述第一水平冷却激光经所述第一水平方向冷却组件扩束为第一椭圆形光斑并经过所述玻璃腔体再经反射后与所述第二水平冷却激光形成第一对射冷却光；其中，所述第一椭圆形光斑的长轴方向与所述差分管的长轴方向相同；

所述第二水平冷却激光经所述第二水平方向冷却组件扩束为第二椭圆形光斑并经过所述玻璃腔体再经反射后与所述第一水平冷却激光形成第二对射冷却光；其中，所述第二椭圆形光斑的长轴方向与所述差分管的长轴方向相同；

其中，所述第一水平冷却激光与所述第二水平冷却激光形成蝴蝶形结构；所述第一对射冷却光与所述第二对射冷却光在平行于所述差分管的方向的夹角为锐角，在垂直于所述差分管的方向上的夹角为钝角。

本发明的进一步设置，所述第一水平方向冷却组件包括：第一波片、第一凹柱透镜、第一凸柱透镜与第一全反镜；

所述第一水平冷却激光依次经所述第一波片、所述第一凹柱透镜与所述第一凸柱透镜扩束后形成第一椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体并经所述第一全反镜反射后到所述第二水平方向冷却组件，与所述第二水平冷却激光反射的第二水平冷却激光形成所述第一对射冷却光。

本发明的进一步设置，所述第二水平方向冷却组件包括：第二波片、第二凹柱透镜、第二凸柱透镜与第二全反镜；

所述第二水平冷却激光依次经过所述第二波片、所述第二凹柱透镜与第二凸柱透镜扩束后形成第二椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体并经所述第二全反镜反射后到所述第一全反镜，与所述第一水平冷却激光形成第二对射冷却光。

本发明的进一步设置，所述竖直方向冷却装置包括：第三波片、第三凹柱透镜、第三凸柱透镜、第四波片与第三全反镜；

所述竖直冷却激光依次经所述第三波片、所述第三凹柱透镜与所述第三凸柱透镜扩束后形成第三椭圆形光斑，再通过所述玻璃腔体与所述第四波片后经所述第三全反镜反射通过所述第四波片进入所述玻璃腔体中形成第三对射冷却光；

其中，所述竖直冷却激光的入射方向与所述水平冷却激光所在的平面相垂直。

本发明的进一步设置，所述梯度磁场线圈组件包括：第一梯度磁场线圈与第二梯度磁场线圈；所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈相对设置在所述玻璃腔体的上下两侧。

本发明的进一步设置，所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈均为矩形线圈；所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈的长轴方向与所述竖直冷却激光的长轴方向相同；所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈的短轴方向与所述竖直冷却激光的短轴方向相同。

本发明的进一步设置，所述原子团推送组件包括：准直器与第四全反镜，所述推送激光经所述准直器出射后再经所述第四全反镜反射进入所述玻璃腔体；其中，所述推送激光发射后的路径与原子团的轴向方向相重合并从所述差分管的中间通过。

本发明所提供的一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，与实验腔体连通，其包括：玻璃腔体，用于接收待冷却原子；真空腔体组件，连通于所述玻璃腔体与所述实验腔体之间，用于维持所述玻璃腔体与所述实验腔体之间的压强差，并为冷却后的原子团提供传输通道；水平方向冷却装置，位于所述玻璃腔体的径向方向上，用于将水平冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团水平方向上的温度进行冷却；竖直方向冷却装置，位于所述玻璃腔体的轴向方向上，用于将竖直冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团竖直方向上的温度进行冷却；梯度磁场线圈组件，设置在所述玻璃腔体上并用于提供梯度磁场；所述水平方向冷却激光、所述竖直方向冷却激光与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构；原子团推送组件，设置在所述玻璃腔体一侧，用于发射一组推送激光将冷却后的原子团从所述玻璃腔体中推送至所述实验腔体中。本发明能够同时预冷原子团径向和轴向三个方向上的温度，使得原子团的温度更低、光学厚度更高、原子通量更大。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明中适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统的整体结构示意图。

图2是本发明中竖直方向冷却装置与玻璃腔体的结构示意图。

图3是本发明中玻璃腔体、真空腔体组件与实验腔体的连接示意图。

图4是本发明中真空腔体组件的结构示意图。

图5是本发明中真空腔体的结构示意图。

图6是本发明中差分管的结构示意图。

附图中各标记：1、玻璃腔体；2、真空腔体组件；21、方形真空腔体；211、固定部；212、通孔；22、差分管；23、第一真空泵；24、第二真空泵；3、水平方向冷却装置；31、第一水平方向冷却组件；311、第一波片；312、第一凹柱透镜；313、第一凸柱透镜；314、第一全反镜；32、第二水平方向冷却组件；321、第二波片；322、第二凹柱透镜；323、第二凸柱透镜；324、第二全反镜；4、竖直方向冷却装置；41、第三波片；42、第三凹柱透镜；43、第三凸柱透镜；44、第四波片；45、第三全反镜；5、梯度磁场线圈组件；51、第一梯度磁场线圈；52、第二梯度磁场线圈；6、原子团推送组件；61、准直器；62、第四全反镜；7、实验腔体。

具体实施方式

本发明提供一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，可以应用于原子传感器技术领域，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请同时参阅图1至图6，本发明提供了一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统的较佳实施例。

本发明提供的一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，与实验腔体连通，能够将预冷后的原子团推送至后续的实验腔体中，例如，三维磁光阱真空装置。

如图1至图3所示，所述适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统包括：玻璃腔体1、真空腔体组件2、水平方向冷却装置3、竖直方向冷却装置4、梯度磁场线圈组件5与原子团推送组件6。其中，所述玻璃腔体1用于接收原子源提供的待冷却原子；所述真空腔体组件2连通于所述玻璃腔体1与所述实验腔体7之间，用于维持所述玻璃腔体1与所述实验腔体7之间的压强差，并为冷却后的原子团提供传输通道；所述水平方向冷却装置3位于所述玻璃腔体1的径向方向上，用于将水平冷却激光(A、B)扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团水平方向上的温度进行冷却；所述竖直方向冷却装置4位于所述玻璃腔体1的轴向方向上，用于将竖直冷却激光C扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团竖直方向上的温度进行冷却；所述梯度磁场线圈组件5设置在所述玻璃腔体1上并用于提供梯度磁场；所述原子团推送组件6设置在所述玻璃腔体1一侧，用于发射一组推送激光D将冷却后的原子团从所述玻璃腔体1中推送至所述实验腔体7中。

具体地，所述玻璃腔体1为方形腔体，所述玻璃腔体1可以接收原子源输送的待冷却的原子。所述玻璃腔体1与所述真空腔体组件2通过真空管道相连接，所述真空腔体组件2与实验腔体7通过真空管道相连，所述玻璃腔体1与实验腔体7则通过所述真空腔体组件2相连通，所述真空腔体组件2能够维持所述玻璃腔体1与后续的实验腔体7之间的压强差，使得所述玻璃腔体1中能够有足够多的背景原子气体，同时使得实验腔体7又能够维持足够高的真空度。并且，所述真空腔体组件2与所述玻璃腔体1连通，能够将冷却后的原子团输送至后续的实验腔体7中。

其中，所述水平方向冷却激光(A、B)、所述竖直方向冷却激光C与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构，能够对所述玻璃腔体1中的原子团的径向两个方向(原子团的水平方向，即推送激光的水平方向)的温度以及轴向方向(原子团的竖直方向，即推送激光的径向方向)上的温度进行冷却，而椭圆形光斑则能够提高原子团在玻璃腔体1中长轴方向上的光学厚度。当所述原子团推送组件6发射的推送激光经过所述玻璃腔体1时，能够俘获冷却后的原子团并通过所述真空腔体组件2后推送至实验腔体7中。

可见，本发明通过所述水平方向冷却激光、所述竖直方向冷却激光与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构能够同时压窄原子团三个方向上的速度分布，对原子团三个方向的温度进行冷却，提高了推送激光轴向上的原子的利用率，且冷却光均为椭圆形光斑，这样能增大冷却激光与原子的相互作用面积，捕获原子的数目更多，密度更高，原子的光学厚度会提高，使得冷却后的原子团温度更低、光学厚度更高、原子通量更大，并能够将冷却后的原子团推送到后续的实验腔体7中，缩短了实验周期，能够快速制备温度更低、数目更多的原子团用于实验测量，有利于后续的冷原子实验，例如，可以用于基于冷原子的量子传感和精密测量实验。

在一些实施例中，所述玻璃腔体1上镀有增透膜，所述增透膜能够减小因反射引起的冷却激光功率的损失，有利于水平冷却激光与竖直冷却激光能够从玻璃腔体1的外面射入至玻璃腔体1里面俘获并冷却玻璃腔体1里的原子。

请参阅图1、图4至图6，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述真空腔体组件2包括：方形真空腔体21、差分管22、第一真空泵23与第二真空泵24。其中，所述方形真空腔体21连通在所述玻璃腔体1与所述实验腔体7之间；所述差分管22设置在所述方形真空腔体21内，并连通所述方形真空腔体21与所述实验腔体7；所述第一真空泵23与所述方形真空腔体21连接，所述玻璃腔体1通过所述方形真空腔体21与所述第一真空泵23连通；所述第二真空泵24与所述方形真空腔体21连接，所述实验腔体7通过所述方形真空腔体21与所述第二真空泵24连通。

具体地，所述方形真空腔体21的侧面具有四个面，每个面均用于连接其他真空腔体，且每个面上设置有通孔212，所述方形真空腔体21对角线上的相邻两个面之间通过所述通孔212连通，其中两个正对的面分别连接玻璃腔体1与实验腔体7，另外两个正对的面分别连接两组真空泵，方形真空腔体21对角线的两个面相互连通，使得两组真空泵能分别维持玻璃腔体1与实验腔体7的真空度。其中，所述第一真空泵23与所述玻璃腔体1通过所述方形真空管上的通孔212连通，所述第二真空泵24与实验腔体7之间通过所述方形腔体上的通孔212连通。

所述方形真空腔体21内设置有固定部211，所述差分管22固定在所述固定部211上并穿设与所述方形真空腔体21内，所述差分管22的两端分别连所述玻璃腔体1与实验腔体7，所述推送激光可以将冷却后的原子团通过所述差分管22推送至实验腔体7中。因实验过程中原子源会不断地将待冷却的原子释放到玻璃腔体1中，因此玻璃腔体1中的真空度会比较差。而原子会在玻璃腔体1中被冷却并聚束，然后被推送至实验腔体7中，所述方形真空腔体21与所述差分管22组成的结构能够维持所述玻璃腔体1与后续的实验腔体7的压强差，使得所述玻璃腔体1中能够有足够多的背景原子被冷却并聚束，同时后续的实验腔体7又能够维持足够高的真空度。

在一些实施例中，所述差分管22固定在所述方形真空腔体21的中间位置，即所述固定部211位于所述方形真空腔体21的中间位置。在一种实现方式中，所述差分管22与所述固定部211螺纹连接，所述固定部211与所述差分管22的接触面(即旋接面)采用铟丝密封。在完成真空安装后，所述玻璃腔体1与实验腔体7之间仅通过所述差分管22连通，上述封装结构能够使得实验腔体7比玻璃腔体1的真空度高3个数量级以上，能够显著减少实验腔体7中背景气体对实验测量的影响。在一些实施例中，所述差分管22的内通孔212直径为3-8mm，例如，可以是6mm。

请参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述水平冷却激光包括：第一水平冷却激光A与第二水平冷却激光B；所述水平方向冷却装置3包括：第一水平方向冷却组件31与第二水平方向冷却组件32；所述第一水平冷却激光A经所述第一水平方向冷却组件31扩束为第一椭圆形光斑并经过所述玻璃腔体1再经反射后与所述第二水平冷却激光B形成第一对射冷却光；其中，所述第一椭圆形光斑的长轴方向与所述差分管22的长轴方向相同并与水平面重合；所述第二水平冷却激光B经所述第二水平方向冷却组件32扩束为第二椭圆形光斑并经过所述玻璃腔体1再经反射后与所述第一水平冷却激光A形成第二对射冷却光；其中，所述第二椭圆形光斑的长轴方向与所述差分管22的长轴方向相同并与水平面重合；其中，所述第一水平冷却激光A与所述第二水平冷却激光B形成蝴蝶形结构；所述第一对射冷却光与所述第二对射冷却光在平行于所述差分管22的方向的夹角为锐角α，在垂直于所述差分管22的方向上的夹角为钝角β。

具体地，所述第一水平方向冷却组件31包括：第一波片311、第一凹柱透镜312、第一凸柱透镜313与第一全反镜314。所述第一水平冷却激光A依次经所述第一波片311、所述第一凹柱透镜312与所述第一凸柱透镜扩束后形成第一椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体1并经所述第一全反镜314反射后到所述第二水平方向冷却组件32，与所述第二水平冷却激光B形成所述第一对射冷却光。

所述第二水平方向冷却组件32包括：第二波片321、第二凹柱透镜322、第二凸柱透镜323与第二全反镜324。所述第二水平冷却激光B依次经过所述第二波片321、所述第二凹柱透镜322与第二凸柱透镜323扩束后形成第二椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体1并经所述第二全反镜324反射后到所述第一全反镜314，与所述第一水平冷却激光A形成第二对射冷却光。

所述第一波片311与所述第二波片321均为四分之一波片，所述第一水平冷却激光A通过所述第一波片311后变成圆偏振光，在依次经所述第一凹柱透镜312与第一凸柱透镜313之后形成椭圆形光斑，其后通过所述玻璃腔体1后依次经过所述第一全反镜314与所述第二全反镜324反射后与扩束之后的所述第二水平冷却激光B形成一组对射的冷却光，即所述第一对射冷却光。所述第二水平冷却激光通过所述第二波片321后变成圆偏振光，再经过所述第二凹柱透镜322与第二凸柱透镜之后形成椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体1后依次经过所述第二全反镜324与所述第一全反镜314之反射后与扩束之后的所述第一水平冷却激光A形成一组对射的冷却光，即所述第二对射冷却光。所述第一水平冷却激光A与所述第二水平冷却激光B形成近似于蝴蝶状的结构，能够增加原子俘获区域的光斑直径，能够减少大直径波片的使用数量，节约成本。

请参阅图1，在一些实施例中，所述第一对射冷却光与所述第二对射冷却光在平行于所述差分管22的方向(即在推送激光D轴向方向)的夹角为60度，在垂直于所述差分管22的方向(即在推送激光D径向方向)上的夹角为120度，冷却激光(水平冷却激光与竖直冷却激光)在推送激光径向上的投影分量较小，在推送激光D轴向方向上的投影分量较大，这样原子团在轴向方向上会吸收更多的光子动量，从而得到更多的光子反冲动量，使原子团的速度分布得到压窄，温度得以降低。

请参阅图1与图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述竖直方向冷却装置4包括：第三波片41、第三凹柱透镜42、第三凸柱透镜43、第四波片44与第三全反镜45。所述竖直冷却激光C依次经所述第三波片41、所述第三凹柱透镜42与所述第三凸柱透镜43扩束后形成第三椭圆形光斑，再通过所述玻璃腔体1与所述第四波片44后经所述第三全反镜45反射通过所述第四波片44进入所述玻璃腔体1中形成第三对射冷却光；其中，所述竖直冷却激光D的入射方向与所述水平冷却激光所在的平面相垂直。

具体地，所述第三波片41与所述第四波片44均为四分之一波片。所述竖直冷却激光C首先通过所述第三波片41变成圆偏振光，其后依次通过所述第三凹柱透镜42与所述第三凸柱透镜43使得光斑变成第三椭圆形光斑，并且椭圆形光斑的长轴方向与原子团的长轴方向相同，所述竖直冷却激光C的入射方向与所述水平冷却激光所在的平面相垂直，其后再经过所述玻璃腔体1，接着通过所述第四波片44，在所述第三全反镜45发射之后再次通过所述第四波片44进入到所述玻璃腔体1中，形成竖直方向上的一组对射的冷却光，即第三对射冷却光，以对原子团轴向方向上的温度进行冷却。

请参阅图1与图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述梯度磁场线圈组件5包括：第一梯度磁场线圈51与第二梯度磁场线圈52。所述第一梯度磁场线圈51与所述第二梯度磁场线圈52相对设置在所述玻璃腔体1的上下两侧。

具体地，所述第一梯度磁场线圈51与所述第二梯度磁场线圈52均为矩形线圈。所述第一梯度磁场线圈51与所述第二梯度磁场线圈52的长轴方向与所述竖直冷却激光C的长轴方向相同，所述第一梯度磁场线圈51与所述第二梯度磁场线圈52的短轴方向与所述竖直冷却激光C的短轴方向相同。所述第一梯度磁场线圈51与所述第二梯度磁场线圈52能够提供梯度磁场，所述水平方向冷却激光、所述竖直方向冷却激光与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构，从而能够俘获一团雪茄形的原子团E。

请参阅图1与图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述原子团推送组件6包括：准直器61与第四全反镜62，所述推送激光D经所述准直器61出射后再经所述第四全反镜62反射进入所述玻璃腔体1；其中，所述推送激光D发射后的路径与原子团的轴向方向相重合并从所述差分管22的中间通过。

具体地，所述推送激光D从所述准直器61出射，经过所述第四全反镜62之后与原子团的长轴方向相重合，并从所述差分管22的中间通过，以将冷却后的原子团推送至后续的实验腔体7中。其中，所述推送激光D的频率与原子循环跃迁频率有一个为负值的失谐，从而可以使原子团中速度与推送激光波矢方向相反的原子获得光子动量，从而让更多数目的原子被推送到实验腔中。本发明通过控制推送激光的开启与关断可以控制通过所述差分管22的原子束的开启与关断。

综上所述，本发明所提供的一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统具有以下有益效果：

通过所述水平方向冷却激光、所述竖直方向冷却激光与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构能够同时压窄原子团三个方向上的速度分布，对原子团三个方向的温度进行冷却，提高了推送激光轴向上的原子的利用率，且冷却光均为椭圆形光斑，这样能增大冷却激光与原子的作用面积，捕获原子的数目更多，密度更高，原子的光学厚度会提高，使得冷却后的原子团温度更低、光学厚度更高、原子通量更大，并能够将冷却后的原子团推送到后续的实验腔体中，缩短了实验周期，能够快速制备温度更低、数目更多的原子团用于实验测量，有利于后续的冷原子实验，例如，可以用于基于冷原子的量子传感和精密测量实验。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，与实验腔体连通，其特征在于，包括：

玻璃腔体，用于接收待冷却原子；

真空腔体组件，连通于所述玻璃腔体与所述实验腔体之间，用于维持所述玻璃腔体与所述实验腔体之间的压强差，并为冷却后的原子团提供传输通道；所述真空腔体组件包括：

方形真空腔体，连通在所述玻璃腔体与所述实验腔体之间；

差分管，设置在所述方形真空腔体内，并连通所述方形真空腔体与所述实验腔体；

第一真空泵，与所述方形真空腔体连接，所述玻璃腔体通过所述方形真空腔体与所述第一真空泵连通；

第二真空泵，与所述方形真空腔体连接，所述实验腔体通过所述方形真空腔体与所述第二真空泵连通；

水平方向冷却装置，位于所述玻璃腔体的径向方向上，用于将水平冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团水平方向上的温度进行冷却；所述水平冷却激光包括：第一水平冷却激光与第二水平冷却激光；其中，所述第一水平冷却激光与所述第二水平冷却激光形成蝴蝶形结构；

竖直方向冷却装置，位于所述玻璃腔体的轴向方向上，用于将竖直冷却激光扩束为椭圆形光斑并发射出去以对原子团竖直方向上的温度进行冷却；

梯度磁场线圈组件，设置在所述玻璃腔体上并用于提供梯度磁场；所述梯度磁场线圈组件包括：第一梯度磁场线圈与第二梯度磁场线圈；所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈相对设置在所述玻璃腔体的上下两侧；所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈均为矩形线圈；所述水平方向冷却激光、所述竖直方向冷却激光与所述梯度磁场构成三维磁光阱结构，以对所述玻璃腔体中的原子团的两个径向方向的温度以及轴向方向上的温度进行冷却；

原子团推送组件，设置在所述玻璃腔体一侧，用于发射一组推送激光将冷却后的原子团从所述玻璃腔体中推送至所述实验腔体中。

2.根据权利要求1所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，所述方形真空腔体内设置有固定部，所述差分管固定在所述固定部上；其中，所述固定部与所述差分管的接触面采用铟丝密封；

所述方形真空腔体的侧面具有四个面，每个面上设置有通孔，其中所述方形真空腔体对角线上的相邻两个面之间通过所述通孔连通。

3.根据权利要求1所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，

所述水平方向冷却装置包括：第一水平方向冷却组件与第二水平方向冷却组件；

所述第一水平冷却激光经所述第一水平方向冷却组件扩束为第一椭圆形光斑并经过所述玻璃腔体再经反射后与所述第二水平冷却激光形成第一对射冷却光；其中，所述第一椭圆形光斑的长轴方向与所述差分管的长轴方向相同；

所述第二水平冷却激光经所述第二水平方向冷却组件扩束为第二椭圆形光斑并经过所述玻璃腔体再经反射后与所述第一水平冷却激光形成第二对射冷却光；其中，所述第二椭圆形光斑的长轴方向与所述差分管的长轴方向相同；

所述第一对射冷却光与所述第二对射冷却光在平行于所述差分管的方向的夹角为锐角，在垂直于所述差分管的方向上的夹角为钝角。

4.根据权利要求3所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，所述第一水平方向冷却组件包括：第一波片、第一凹柱透镜、第一凸柱透镜与第一全反镜；

所述第一水平冷却激光依次经所述第一波片、所述第一凹柱透镜与所述第一凸柱透镜扩束后形成第一椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体并经所述第一全反镜反射后到所述第二水平方向冷却组件，与所述第二水平方向冷却组件反射的第二水平冷却激光形成所述第一对射冷却光。

5.根据权利要求4所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，所述第二水平方向冷却组件包括：第二波片、第二凹柱透镜、第二凸柱透镜与第二全反镜；

所述第二水平冷却激光依次经过所述第二波片、所述第二凹柱透镜与第二凸柱透镜扩束后形成第二椭圆形光斑，通过所述玻璃腔体并经所述第二全反镜反射后到所述第一全反镜，与所述第一水平冷却激光形成第二对射冷却光。

6.根据权利要求1所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，所述竖直方向冷却装置包括：第三波片、第三凹柱透镜、第三凸柱透镜、第四波片与第三全反镜；

所述竖直冷却激光依次经所述第三波片、所述第三凹柱透镜与所述第三凸柱透镜扩束后形成第三椭圆形光斑，再通过所述玻璃腔体与所述第四波片后经所述第三全反镜反射通过所述第四波片进入所述玻璃腔体中形成第三对射冷却光；

其中，所述竖直冷却激光的入射方向与所述水平冷却激光所在的平面相垂直。

7.根据权利要求1所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈的长轴方向与所述竖直冷却激光的长轴方向相同；所述第一梯度磁场线圈与所述第二梯度磁场线圈的短轴方向与所述竖直冷却激光的短轴方向相同。

8.根据权利要求1所述的适用于冷原子实验的前级原子预冷却系统，其特征在于，所述原子团推送组件包括：准直器与第四全反镜，所述推送激光经所述准直器出射后再经所述第四全反镜反射进入所述玻璃腔体；其中，所述推送激光发射后的路径与原子团的轴向方向相重合并从所述差分管的中间通过。