CN100427934C - 准等光程原子束全息干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种准等光程原子束全息干涉仪，在外壳所包围的真空腔内置有原子束源和接收面对着原子束源所发射原子束的接收器，在原子束源与接收器之间置有波带片，在波带片的一级衍射的焦点0处置有针孔光阑，所述的接收器的输出端连接到外壳之外的一计算机，其特征在于：所述的原子束源含有由激光场和磁场组成的磁光陷阱；所述的待测物品位于针孔光阑的正下方，原子束源发射的原子束路上，该待测物品离接收器的接收面的距离Z₀满足方程式：Z₀(Z_f+f)=Z² _f式中：Z_f为接收器与针孔光阑之间的距离；f为波带片与针孔光阑之间的距离。

Description

准等光程原子束全息干涉仪

技术领域

本发明涉及一种全息干涉仪，特别是一种准等光程原子束全息干涉仪，这种干涉仪主要用来测试引力效应，在现代量子力学理论中能获得广泛的应用。

背景技术

近十多年来，随着原子束激光冷却技术和微光学元件制造技术的不断成熟，使人们有希望从事原子物质波干涉和原子全息的实验研究。早在1992年，Shimizu等人采用亚稳态Ne原子作原子束源，微通道板记录，完成了双狭缝原子束干涉的实验研究；1996年，Mokoto Morinaga等人完成了一个有趣的实验，他们采用计算机制作一个二元全息图，然后，用亚稳态Ne原子照明它，获得了重构像。这是迄今为止，人们在原子束全息方面完成的第一个尝试。

2002年，中科院上海光机所高鸿奕等人提出了用于原子全息术的无透镜傅里叶变换记录的方法[参见在先技术Hongyi Gao，Jianwen Chen et.al.，“A Lensless Fourier fransform recording method for atom Uolography”，J.Opt，Quanfum Semiclass，Opt.2002.4.347-351]，利用菲涅耳波带片的一级衍射波和零级波干涉，制作原子束全息图。

我们知道，全息术是一个两步成像过程：第一步记录，以干涉条纹的形式将物体波面冻结起来；第二步是重构，可用原记录光、可见光或计算机进行。重构过程中可以设法将记录过程中引进的各种像差消除掉，以提高分辨率。

原子全息之所以引起人们的兴趣，是因为它有许多光学全息和干涉，电子全息和中子干涉仪无可比拟的优点：

1)与电子相比，原子不受周围杂散电磁场干扰，容易提高信噪比。

2)原子的波长由de Brogile公式决定：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{db}}=\frac{h}{\mathrm{mv}}\sqrt{{(1-\frac{v}{c})}^2}$

式中，m为原子质量，V为原子速度，h为普朗克常数，C为光速，可见，原子的波长与其质量m成反比。由于原子的质量比中子、电子大得多，因此当速度V一定时，原子的波长可能要比上述两种粒子小得多，这将大大提高测试精度，改变速度时，波长可调节。正像可见光干涉一样，要实现原子物质波的干涉，首先必须对原子物质波进行分波，然后再设法使分波汇合。若各分波之间满足空间和时间相干的要求，就可以形成干涉条纹。

中国科学院上海光学精密机械研究所发明人高鸿奕、陈建文、谢红兰、徐至展所提供的原子束干涉仪[见在先技术：原子束干涉仪，申请号0111305417，授权日2004.4.14，专利号：ZL01113045.7]，装置如图1所示。它包括：在由外壳构成的真空腔7内，置有原子束源1、波带片2，置于波带片2焦点处的针孔光阑3，以及输出连接到计算机6上的接收器5，待测物品4放在针孔光阑3旁边的焦平面上。

原子束源1发射的近平行的原子束照明一波带片2，在波带片2一级衍射焦点O处放置一小尺寸(直径为0.1mm)的针孔光阑3，从针孔光阑3透射出的原子束作为参考束Gc，而从波带片2透射过来、未经过待测样品4的平行束(零级波P₀)作为物束Gw，将待测样品4置于物束Gw与针孔光阑3在同一水平位置上，在两原子束Gc与Gw相遇处，可获得干涉条纹。干涉条纹间距取决于参考束Gc和物距Gw间的夹角，以及原子的德布罗意波长。干涉信息被接收器5接收，并被转送到计算机6上，计算机再对其干涉全息图进行重构再现。

这种原子干涉片的不足之处在于，对原子束源的空间和时间相干性有一定的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点，提供一种准等光程原子束全息干涉仪。这种全息干涉仪对原子束源的时间相干性要求非常低，能测量出任何一种可引起干涉位相变化的作用量，如：电磁场、重力场等。借此可以用来测量原子的净电荷、玻色子的转动相移、伯瑞(Berry)位相特性(原子在空间变化的磁场中的运动)；还可以进行广义相对论的研究，测量地球的转动速度，测重力加速度的绝对值，在导航、测绘、地质结构等方面都有极大的应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种准等光程原子束全息干涉仪，在外壳所包围的真空腔内置有原子束源和接收面对着原子束源所发射原子束的接收器，在原子束源与接收器之间置有波带片，在波带片的一级衍射的焦点O处置有针孔光阑，所述的接收器的输出端连接到外壳之外的一计算机，其特征在于：

所述的原子束源含有由激光场和磁场组成的磁光陷阱；

所述的待测物品位于针孔光阑的正下方，原子束源发射的原子束路上，该待测物品离接收器的接收面的距离Z₀满足方程式：

Z₀(Z_f+f)＝Z_f ²

式中：Z_f为接收器与针孔光阑之间的距离；

F为波带片与针孔光阑之间的距离。

所说的原子束源中含有的磁光陷阱是由激光场和磁场组成的，它能对原子进行冷却和捕获，由于结构简单，所以多年来被广泛用作冷原子束实验的基本工具。磁光陷阱即是用园偏振的光产生光学粘胶，把光的频率调谐至略低于原子的吸收线，并从所有方向照射原子，多普勒频移使对着运动原子入射的光移近共振，而使背离它的光远离共振，这样原子优先散射从前方来的光子并被减速。

通常用六束激光形成三个相互垂直的驻波场，这样，原子在任何地方都可以受到一个粘滞阻尼力F，阻止其运动，能够囚禁一部分原子，形成可见的原子云，这样的原子云被命名为光学粘胶。

如果仅用光学粘胶的方法来冷却和囚禁原子时，常使原子失谐，用一个球型四极矩磁场，当原子远离原点时，塞曼频移使其趋于共振，光束就把原子向原点推回。典型的磁光陷阱，囚禁原子数目可达10¹⁰，温度在10～100μk范围内，密度可达10¹²/cm²，这些足以保证干涉实验的进行。

所说的波带片对原子束具有聚焦和成像作用(这已被实践证明)，波带片上的波带环为金结构的。金结构的波带环阻隔原子束通过，使原子束仅从两金结构波带环之间的空带环通过。为此，波带环金结构的厚度等于或大于0.5μm。

所说的针孔光阑上的针孔孔径小于或等于0.2mm，其针孔光阑的作用是滤去原子束经过波带片后的其它衍射波，使通过针孔光阑针孔的仅为一级衍射波和零级波。

所说的待测样品是个位相物体，它必须放在特定位置。

所说的接收器是采用微通道片和CCD，在市场上可以购买到。

所说的计算机是用来显示全息干涉条纹。

所说的真空腔，采用三个机械泵和三个扩散泵，可使真空度达到5×10^-6τ，此时的原子自由程可以达到10米以上。

原子束源发射的近平行原子束照明一波带片，在波带片一级衍射焦点O处放置一小尺寸(直径为(0.1mm)的针孔光阑，从针孔光阑透射出的原子束作为参考束Gc，而从波带片透射过来的平行束(零级波P₀)作为物束Gw，将待测物品置于物束Gw位置上，在两原子束Gc与Gw相遇处，可获得干涉条纹。干涉条纹间距取决于参考束Gc和物束Gw间的夹角，以及原子的德布罗意波长。

本发明的技术效果如下：

像所有其它全息干涉仪一样，本发明准等光程原子束全息干涉仪也是利用两个光波的干涉图来测量位相移动的，只不过待测样品必须处于特定位置才能保证准等光程，现在我们给出位置条件。

设R为全息图上的径向坐标，因为因为从从原子束源到波带片的距离Zs

Zs＞＞Z_f

所以从原子束源1到全息图参考波的光程为

L_r＝Z_s+(Z_f ²+R²)^1/2(Z_f+f)/Z_f

＝Z_s+(Z_f+f)(1+R²/Z_f ²)^1/2

＝Z_s+(Z_f+f)(1+R²/2Z_f ²-R⁴/8Z_f ⁴)

＝Z_s+Z_f+f+(Z_f+f)R²/2Z_f ²-(Z_f+f)R⁴/8Z_f ⁴

从原子束源1到全息图物波的光程为

L₀＝Z_s+f+(Z_f-Z₀)+(Z₀ ²+R²)^1/2

≈Z_s+Z_f+f+R²/2Z₀-R⁴/8Z₀ ³

参考波和物波的光程差为

ΔL＝|L_r-L₀|

≈|[(Z_f+f)/Z_f ²-Z₀ ^-1]R²/2-[(Z_f+f)/Z_f ⁴-Z₀ ^-3]R⁴/8|

＝|[Z₀(Z_f+f)-Z_f ²]R²/2Z₀Z_f ²-[(Z_f+f)/Z_f ⁴-Z₀ ^-3]R⁴/8|

如果下式得到满足

Z₀(Z_f+f)＝Z_f ²

则有

ΔL＝|[Z₀ ^-3-(Z_f+f)/Z_f ⁴]R⁴/8|

＝(Z_f ²-Z₀ ²)R⁴/8Z₀ ³Z_f ²

代入具体实际准等光程原子束全息干涉仪具体数值，例如：

Z_s＝317mm，λ＝3.3nm，r₀＝60nm，f＝1.25mm，r_s＝5μm，Z₀＝4mm

可以求得ΔL＝0.23nm

式中，f为波带片焦距，λ为原子束的德布罗意波长，可见两光束之间光程仅为原子尺度，可视为准等光程。

本发明的优点：

本发明的干涉仪，结构简单，干涉效率高，灵敏度比光学干涉仪要高7个量级。能测量出任何一种可引起干涉位相变化的作用量，如：电磁场、重力场等，由于采用特殊设计方法，是一个准等光程原子束全息干涉仪。

附图说明

图1在先技术中原子干涉仪结构示意图。

图2为本发明的准等光程原子束全息干涉仪具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

先请参阅图2，本发明干涉仪如上述的结构包括：原子束源1，波带片2，置于波带片2焦点处的针孔光阑3，待测样品4，接收器5，计算机6，外壳7，如图2所示。

原子束源1中含有的磁光陷阱是由激光场和磁场组成的，能对原子进行冷却和捕获，由于它结构简单，所以多年来被广泛用作冷原子束实验的基本工具。

波带片2的直径为210μm，波带片2的第一个波带的半径r₁＝9.38μm，波带片2的总环数2n_max＝128，波带环金结构，厚度为0.5μm，其目的在于使原子束不能通过金结构波带环挡住的区域，而使原子束仅能从金结构波带环之间的空带环区域通过。利用波带片2对原子束的衍射特性，把原子束分束，并进行重构，就可以获得干涉条纹。

所说的针孔光阑3，直径为0.1mm，用来改善原子束源的空间相干性。

所说的待测样品4放置在距接收器5为Z₀＝Z_f ²/(Z_f+f)的位置。

所说的接收器5采用微通道板和CCD，再输入到计算机6中去进行重构。

原子束源1发射的近平行原子束照明一波带片2，在波带片2一级衍射焦点O处放置一小尺寸(直径为0.1mm)的针孔光阑3，从针孔光阑3透射出的部分原子束作为参考束Gc，而从波带片2透射过来的平行束(零级波P₀)作为物束Gw，将待测物品4置于物束Gw位置上，在两原子束Gc与Gw相遇处，可获得干涉条纹。干涉条纹间距取决于参考束Gc和物束Gw间的夹角，以及原子的德布罗意波长。干涉条纹被接收器5记录后送入到计算机6上进行重构。

Claims (1)

1、一种准等光程原子束全息干涉仪，在外壳(7)所包围的真空腔内置有原子束源(1)和接收面对着原子束源(1)所发射原子束的接收器(5)，在原子束源(1)与接收器(5)之间置有波带片(2)，在波带片(2)的一级衍射的焦点O处置有针孔光阑(3)，所述的接收器(5)的输出端连接到外壳(7)之外的一计算机(6)，其特征在于：

所述的原子束源(1)含有由激光场和磁场组成的磁光陷阱；

所述的待测物品(4)位于针孔光阑(3)的正下方，原子束源(1)发射的原子束路上，该待测物品(4)离接收器(5)的接收面的距离Z₀满足方程式：

Z₀(Z_f+f)＝Z_f ²

式中：Z_f-接收器(5)与针孔光阑(3)之间的距离；

f-波带片(2)与针孔光阑(3)之间的距离。

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