CN101657062B - 折叠式双光束磁光阱系统 - Google Patents
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Abstract
一种折叠式双光束磁光阱系统，主要适用于激光冷却中冷原子的产生。本发明通过多次反射入射激光，在真空腔内形成三对偏振相反，相向传播的激光，并在由反亥姆赫兹线圈产生的磁场相互作用下，形成磁光阱。其特点似利用多次反射，重复利用激光能量，获得冷原子，具有结构简单，功率平衡容易，原子团稳定，激光输入功率低，易于调节的优点，为冷原子频标，精密测量和激光冷却物理实验提供了更好的冷原子源。
Description
技术领域
本发明涉及磁光阱系统，属于超冷原子产生技术。特别是一种折叠式双光束磁光阱系统。
其特征在于利用多次反射入射激光，降低了形成磁光阱所需的激光功率，而且在重复利用激光功率的同时增加了相对激光束的功率平衡和稳定性，从而获得更好更稳定的冷原子源。具有低功耗，结构简单，易于调节，稳定性好的特点，为原子频标，精密测量以及冷原子物理实验提供了更好的实验平台。
背景技术
激光冷却与囚禁技术近三十年的快速发展，在原子物理，原子频标，精密测量等方面的发展起了非常大的推动作用。现在已经投入运行的喷泉原子钟，在频率稳定度上已经可以达到2.8×10-14τ1/2(法国巴黎天文台)，准确度3×10-16(美国国家标准局，NIST，National Institute of Standards and Technology)；还处于实验阶段的光钟，准确度也已经达到1×10-16。在冷原子物理上，人们获得了玻色爱因斯坦凝聚，观察到了原子在超低温下的新物理现象。而这些现象的获得都与磁光阱的诞生分不开。在磁光阱诞生之前，人们在实验室里很难获得稳定的冷原子源，需要非常复杂的激光冷却与囚禁过程。磁光阱的发明让人们能够从背景气体中直接俘获足够多的冷原子，冷原子物理的发展更加迅速。
Steven.chu等人早在1987年就提出了利用红失谐的激光和磁阱来实现原子的冷却与囚禁。当时的实验是直接从背景气体中捕获冷原子，大概在2s的时候能够捕获107个原子，原子的密度为1011cm-3。磁阱深度为400mk，通过三维六束冷却光捕获的冷原子的温度是300μk左右。现在大部分的冷原子源都是在磁光阱中获得，并且磁光阱还是沿用当时的结构。现在磁光阱仍然是获得冷原子的主要手段，为了在较低能量下获得稳定的冷原子团，降低磁光阱的功耗成为喷泉原子钟研究中的关键技术之一。
经典的磁光阱/光学粘胶的结构如图1所示：光束A(左旋偏振光)与光束D(右旋偏 振光)构成沿X方向的一对冷却光；光束C(右旋偏振光)与光束F(左旋偏振光)构成沿Z方向的一对冷却光；光束E(左旋偏振光)与光束B(右旋偏振光)构成沿Y方向的一对冷却光。三对冷却光两两相互垂直，构成一个完整的三维磁光阱/光学粘胶的结构。元件7至元件12都为安装在真空腔15上的玻璃窗口，窗口表面都镀有780nm的增透膜。这个结构用做磁光阱时，需要在Z方向加上一对反亥姆赫兹线圈(元件13，14)，产生构成磁光阱所需要的四极磁势阱。整个结构安装在一个真空腔体15上。六束冷却光束的交点与反亥姆赫兹线圈产生的磁场零点重合，位于真空腔体的中心。在传统的磁光阱中，不仅要求六束激光的功率稳定，而且要求相对传播的激光束功率平衡(10％以下)，同时还需要激光的偏振特性保持稳定。六束激光同时也要求激光器拥有更大的功率。这样就对光学系统提出了非常高的要求，在实验上增加了获得稳定的冷原子源的难度。
发明内容
本发明的目的在于解决喷泉原子钟研究中磁光阱的功耗高，能量利用率低的问题，提出一种折叠式双光束磁光阱系统，在节约磁光阱功耗的同时还可以获得非常好的冷原子团。可以满足喷泉原子钟中需要在较低的功耗下获得稳定的冷原子源的要求。
本发明的技术解决方案如下：
本发明技术思想是利用一对反向传输的冷却光经反射镜多次反射之后而形成三维的折叠式双光束磁光阱系统。这样通过折叠冷却光，重复利用了冷却光的能量，在节约功耗的同时还可以获得非常好的冷原子团。把原来需要同时监测六束激光的功率，偏振等参数降低到只需要仔细调节对射的两束激光，大大降低了调节的难度。而且该系统不仅降低了调节难度，提高冷原子的数目和冷原子团的稳定性，还降低了冷原子团的温度。本发明的具体解决方案是：
一种折叠式双光束磁光阱系统，包括反亥姆赫兹线圈对和一个立方体真空腔，在该立方体真空腔的直角坐标系XYZ的六个面的正中位置各具有一个玻璃窗口，在Z轴方向相对的两个面上与相应的玻璃窗口共心地贴设所述的反亥姆赫兹线圈对，所述的反亥姆赫兹线圈对所形成的零磁场与所述的立方体真空腔的几何中心(简称中心)重合，其特点是：
在所述的立方体真空腔之外在XZ平面内正X方向d处(d、0、0)设置第一45° 平面全反射镜，该第一45°平面全反射镜的反射面面向所述的立方体真空腔的中心并与X轴方向成45°，在XZ平面上+Z方向距离第一45°平面全反射镜d处(d、0、d)放置第二45°平面全反射镜，该第二45°平面全反射镜的反射面正向所述的立方体真空腔的中心，在XZ平面上的正Z方向d处(0、0、d)设置第三45°平面反射镜，该第三45°平面反射镜的反射面向立方体真空腔的中心并与Z轴成45°，在YZ平面的Z轴上的-d(0、0、-d)位置设置第四45°平面全反射镜，该第四45°平面全反射镜的反射面面向立方体真空腔的中心并与Z轴成45°，在YZ平面上-Y方向距离第四45°平面全反射镜d处(0、-d、-d)放置第五45°平面全反射镜，该第五45°平面全反射镜的反射面正对所述的立方体真空腔的中心，在YZ平面上Y方向-d位置(0、-d、0)设置第六45°平面全反射镜，该第六45°平面全反射镜的反射面正对所述的立方体真空腔(15)的中心并与Y轴成45°，所述的第一45°平面全反射镜、第二45°平面全反镜、第三45°平面全反射镜、第四45°平面全反射镜、第五45°平面全反射镜和第六45°平面全反射镜构成反射光路；
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束和沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束。
一种折叠式双光束磁光阱系统，包括一反亥姆赫兹线圈对和一个立方体真空腔，在该立方体真空腔的直角坐标系XYZ的六个面的正中位置各具有一个玻璃窗口，在Z轴方向相对的两个面上与相应的玻璃窗口共心地贴设所述的反亥姆赫兹线圈对，所述的反亥姆赫兹线圈对所形成的零磁场与所述的立方体真空腔的中心重合，其特点在于：
在所述的立方体真空腔之外设置有第一直角型组合棱镜和第二直角型组合棱镜，该直角型组合棱镜由一个等腰梯形和直角梯形组合而成，直角梯形的直角边与等腰梯形的底边一端重合，直角梯形的斜边与底边成45°角，等腰梯形的腰边与直角梯形的斜边等长，该直角型组合棱镜的两相互垂直的内边等长，该直角型组合棱镜的两端和直角处共有3个45°全反射内表面，所述的第一直角型组合棱镜设置在XZ平面，使所述的第一直角型组合棱镜一端的45°全反射内表面与Z轴成45°，另一端的45°全反射内表面与X轴成45°，所述的第二直角型组合棱镜设置在YZ平面，使所述的第二直角型组合棱镜一端的45°全反射内表面与Z轴成45°，另一端的45°全反射内表面与Y轴成45°；
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束和沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束。
反射镜折叠式双光束磁光阱系统的光学过程如下：
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束(以下简称为光束A)经过冷原子俘获中心(以下简称为中心)后入射到XZ平面的第一45°平面全反射镜反射，光束A将沿+Z方向传播，偏振为右旋圆偏振光，入射到第二45°平面全反镜，经第二平面全反镜反射后，沿+Z方向传播的光束A的反射成沿-X方向传播，此时光束A的偏振方向变为左旋圆偏振光。入射到第三个45°平面反射镜，经反射后沿-X方向传播的光束A反射成沿-Z方向传播，此时为右旋圆偏振光。此时的光束A刚好可以沿-Z方向经过中心穿过真空腔体。
光束A在沿着-Z方向经过腔体后，再次入射到YZ平面的第四45°平面全反射镜反射，经此平面反射镜反射后，光束A将沿-Y方向传播，偏振为左旋圆偏振光。入射到第五45°平面全反镜，经第五45°平面全反镜反射后把沿-Y方向传播的光束A的反射为沿+Z方向传播，此时光束A的偏振方向变为右旋圆偏振光。再入射到第六45°平面反射镜，该第六平面全反镜的反射将沿+Z方向传播的光束A反射成沿+Y方向传播，此时光束A的传播方向为+Y方向，偏振为左旋圆偏振光。此时的光束A刚好能够再一次经过真空腔体中心。距离d的选择需要保证安装在真空腔体上所述的第一45°平面全反射镜、第二45°平面全反镜、第三45°平面全反射镜、第四45°平面全反射镜、第五45°平面全反射镜和第六45°平面全反射镜能够自由调节的同时尽量靠近腔体，减少外面杂散光的影响。我们还需要沿-Y方向打一束与光束A完全重合，传播反向的右旋圆偏振激光光束B，光束B的运行光路与光束A光路相同但方向相反，就可以构成3维的激光冷却与俘获系统。该方案对磁光阱和光学粘胶都是适用的。对光学粘胶而言，只要其在(XYZ)某一方向偏振垂直，则其在任何其他方向都是垂直的，这正是光学粘胶的条件。对磁光阱而言，只需要在Z方向加上一对反亥姆霍兹线圈即可满足要求。
对于棱镜反射的类型，我们需要一个具有直角边的楔型组合棱镜。该楔型棱镜的侧面可以看成由一个等腰梯形和直角梯形组合而成，直角梯形的直角边与等腰梯形的底边一端重合，直角梯形的斜边与底边成45°角。等腰梯形的腰边与直角梯形的斜边等长。组合后的棱镜的两相互垂直的内边等长。楔型棱镜的厚度应该比入射光斑的直径大一倍。该楔型棱镜拥有3个45°的全反内表面，可以用来改变入射光束的传播方向，起到第一类反射镜系统中的反射作用。如同第一类反射镜中的情形，我们沿+X方向入射一束左旋圆偏振冷却光束A，入射到一块安装在XZ平面上的反射 棱镜，棱镜反射面中心到真空腔中心的距离与棱镜内两全反射镜中心的间距相等。光束A在棱镜内经过三次全反射后，沿-Z方向出射，变为右旋圆偏振光。结构和附图1中的第一组反射镜的作用原理一致。反射棱镜可以形成一个光束反射回路。出射后的光束A经过腔体中心后入射到安装在YZ平面反射棱镜H，在此棱镜中光束A再次经历三次全反射，变为由+Y方向出射的左旋圆偏振光。同样我们只需沿-Y方向入射一束与光束A重合的右旋圆偏振光束B，即可构成磁光阱系统。棱镜结构中为了降低对冷却光的损耗，在入射面上镀有增透膜，而在反射面上镀有增反膜，降低冷却光在棱镜中传输的损耗。整个棱镜结构系统中的偏振结构与第1类中的结构相同。对于第3类情况，只是把反射用的棱镜安装在真空腔体内，结构与第二类基本一致。
本发明折叠式磁光阱系统的优点有：
1)本发明装置利用光束反射，提高了激光能量的利用率。有效地降低了磁光阱的功耗，
2)本发明装置减少入射光束数量，大大降低了调谐光功率平衡的难度。
3)本发明装置对磁光阱(MOT，magnetic-optic trap)和光学粘胶均适用的，应用范围广。
4)本发明装置的结构简单，元件少，操作简单，易于调节。
附图说明
图1是现有的磁光阱/光学粘胶的结构示意图
图2是本发明实施例1反射镜折叠式双光束磁光阱系统的结构示意图
图3是本发明实施例2组合棱镜折叠式双光束磁光阱系统的结构示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2是本发明实施例1反射镜折叠式双光束磁光阱系统的结构示意图，由图可见，本发明折叠式双光束磁光阱系统，包括反亥姆赫兹线圈对13、14和一个立方体真空腔15，在该立方体真空腔15的直角坐标系XYZ的六个面的正中位置各具有一个玻璃窗口6、7、8、9、10、11、12，在Z轴方向相对的两个面上与相应的玻璃窗口9、10共心地贴设所述的反亥姆赫兹线圈对13、14，所述的反亥姆赫兹线圈13、14所形成的零磁场与所述的立方体真空腔15的几何中心(简称中心)重合，其特点是：
在所述的立方体真空腔15之外在XZ平面内正X方向d处，坐标位置为(d、0、0)设置第一45°平面全反射镜1，该第一45°平面全反射镜1的反射面面向所述的立方体真空腔15的中心并与X轴方向成45°，在XZ平面上+Z方向距离第一45°平面全反射镜1的d处，坐标位置为(d、0、d)放置第二45°平面全反射镜2，该第二45°平面全反射镜2的反射面正向所述的立方体真空腔15的中心，在XZ平面上的正Z方向d处，坐标位置为(0、0、d)设置第三45°平面反射镜3，该第三45°平面反射镜3的反射面向立方体真空腔15的中心并与Z轴成45°，在YZ平面的Z轴上的-d，坐标位置为(0、0、-d)设置第四45°平面全反射镜4，该第四45°平面全反射镜4的反射面面向立方体真空腔15的中心并与Z轴成45°，在YZ平面上-Y方向距离第四45°平面全反射镜4的d处，坐标位置为(0、-d、-d)放置第五45°平面全反射镜5，该第五45°平面全反射镜5的反射面正对所述的立方体真空腔15的中心，在YZ平面上Y方向-d位置，坐标位置为(0、-d、0)设置第六45°平面全反射镜6，该第六45°平面全反射镜6的反射面正对所述的立方体真空腔15的中心并与Y轴成45°，所述的第一45°平面全反射镜1、第二45°平面全反镜2、第三45°平面全反射镜3、第四45°平面全反射镜4、第五45°平面全反射镜5和第六45°平面全反射镜6构成反射光路；
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束A和沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束B。
本发明实施例1是反射镜折叠式双光束磁光阱系统，反射镜折叠式双光束磁光阱系统的光学过程如下：
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束(以下简称为光束A)经过冷原子俘获中心(以下简称为中心)后入射到XZ平面的第一45°平面全反射镜1，反射后，光束A将沿+Z方向传播，偏振为右旋圆偏振光，入射到第二45°平面全反镜2，经第二平面全反镜2反射后，将沿+Z方向传播的光束A的反射成沿-X方向传播，此时光束A的偏振方向变为左旋圆偏振光。入射到第三个45°平面反射镜3，经第三个45°平面反射镜3反射后，将沿-X方向传播的光束A反射成沿-Z方向传播，此时为右旋圆偏振光。此时的光束A刚好可以沿-Z方向经过中心穿过真空腔体。光束A在沿着-Z方向经过腔体后，再次入射到YZ平面的第四45°平面全反射镜4反射，经第四45°平面全反射镜4反射后，光束A将沿-Y方向传播，偏振为左旋圆偏振光。入射到第五45°平面全反镜5，经第五45°平面全反镜5反射后，把沿-Y方向传播的光束A的反射为 沿+Z方向传播，此时光束A的偏振方向变为右旋圆偏振光。再入射到第六45°平面反射镜6，经第六45°平面全反镜6的反射将沿+Z方向传播的光束A反射成沿+Y方向传播，此时光束A的传播方向为+Y方向，偏振为左旋圆偏振光。此时的光束A刚好能够再一次经过真空腔体中心。
距离d的选择需要保证安装在真空腔体上所述的第一45°平面全反射镜、第二45°平面全反镜、第三45°平面全反射镜、第四45°平面全反射镜、第五45°平面全反射镜和第六45°平面全反射镜能够自由调节的同时尽量靠近腔体，减少外面杂散光的影响。我们还需要沿-Y方向打一束与光束A完全重合，传播方向相反的右旋圆偏振激光光束B，光束B的运行光路与光束A光路相同但方向相反，这样就可以构成3维的激光冷却与俘获系统。该方案对磁光阱和光学粘胶都是适用的。对光学粘胶而言，只要其在(XYZ)某一方向偏振垂直，则其在任何其他方向都是垂直的，这正是光学粘胶的条件。对磁光阱而言，只需要在Z方向加上一对反亥姆霍兹线圈即可满足要求。
上述反射镜上镀有780nm的高反膜。在实验上，我们已经把这套改进装置应用于我们现在的喷泉装置上，并且在实验上获得非常好的结果。我们在只利用两束激光的条件下，囚禁的原子数没有明显变化，但是原子团的稳定性明显提高。而且我们测量时间飞行信号(TOF，time of flight)发现整个原子团的温度更低，现在87Rb的冷却温度大概在2.5μk左右。因此，我们把囚禁光的激光功率降低到原来的 并且大大降低了调谐光功率平衡的难度，为喷泉实验装置提供了更好的冷原子源。
请参见图3，图3是本发明实施例2组合棱镜折叠式双光束磁光阱系统的结构示意图。由图可见，本发明折叠式双光束磁光阱系统，是由组合棱镜构成的，包括一反亥姆赫兹线圈对13、14和一个立方体真空腔15，在该立方体真空腔15的直角坐标系XYZ的六个面的正中位置各具有一个玻璃窗口6、7、8、9、10、11、12，在Z轴方向相对的两个面上与相应的玻璃窗口9、10共心地贴设所述的反亥姆赫兹线圈对13、14，所述的反亥姆赫兹线圈对13、14所形成的零磁场与所述的立方体真空腔15的中心重合，其特点在于：
在所述的立方体真空腔15之外设置有第一直角型组合棱镜16和第二直角型组合棱镜17，该直角型组合棱镜由一个等腰梯形和直角梯形组合而成，直角梯形的直角边与等腰梯形的底边一端重合，直角梯形的斜边与底边成45°角，等腰梯形的腰边与直角梯形的斜边等长，该直角型组合棱镜的两相互垂直的内边等长，该直角型 组合棱镜的两端和直角处共有3个45°全反射内表面，所述的第一直角型组合棱镜16设置在XZ平面，使所述的第一直角型组合棱镜16一端的45°全反射内表面161与Z轴成45°，另一端的45°全反射内表面163与X轴成45°，所述的第二直角型组合棱镜17设置在YZ平面，使所述的第二直角型组合棱镜17一端的45°全反射内表面171与Z轴成45°，另一端的45°全反射内表面173与Y轴成45°；
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束A和沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束B。
本实施例的光学过程与实施例的过程是相似的：左旋圆偏振的激光光束A沿X轴正方向入射，经过冷原子俘获中心(以下简称为中心)后入射到第一直角型组合棱镜16的45°全反射内表面163、全反射内表面162和全反射内表面162反射后沿-Z方向经冷原子俘获中心后入射到第二直角型组合棱镜17，依次经45°全反射内表面171、45°全反射内表面172、45°全反射内表面173反射后，光束A沿Y方向经冷原子俘获中心后沿Y方向射出；沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束B沿光束A相反的方向传输，这样也构成3维的激光冷却与俘获系统。
Claims (2)
1.一种折叠式双光束磁光阱系统，包括反亥姆赫兹线圈对(13、14)和一个立方体真空腔(15)，在该立方体真空腔(15)的直角坐标系XYZ的六个面的正中位置各具有一个玻璃窗口(6、7、8、9、10、11、12)，在Z轴方向相对的两个面上与相应的玻璃窗口(9、10)共心地贴设所述的反亥姆赫兹线圈对(13、14)，所述的反亥姆赫兹线圈对(13、14)所形成的零磁场与所述的立方体真空腔(15)的几何中心重合，其特征在于：
在所述的立方体真空腔(15)之外在XZ平面内正X方向d处(d、0、0)设置第一45°平面全反射镜(1)，该第一45°平面全反射镜(1)的反射面面向所述的立方体真空腔(15)的几何中心并与X轴方向成45°，在XZ平面上+Z方向距离第一45°平面全反射镜(1)d处(d、0、d)放置第二45°平面全反射镜(2)，该第二45°平面全反射镜(2)的反射面正向所述的立方体真空腔(15)的几何中心，在XZ平面上的正Z方向d处(0、0、d)设置第三45°平面全反射镜(3)，该第三45°平面全反射镜(3)的反射面向立方体真空腔(15)的几何中心并与Z轴成45°，在YZ平面的Z轴上的-d(0、0、-d)位置设置第四45°平面全反射镜(4)，该第四45°平面全反射镜(4)的反射面面向立方体真空腔(15)的几何中心并与Z轴成45°，在YZ平面上-Y方向距离第四45°平面全反射镜(4)d处(0、-d、-d)放置第五45°平面全反射镜(5)，该第五45°平面全反射镜(5)的反射面正对所述的立方体真空腔(15)的几何中心，在YZ平面上Y方向-d位置(0、-d、0)设置第六45°平面全反射镜(6)，该第六45°平面全反射镜(6)的反射面正对所述的立方体真空腔(15)的中心并与Y轴成45°，所述的第一45°平面全反射镜(1)、第二45°平面全反射镜(2)、第三45°平面全反射镜(3)、第四45°平面全反射镜(4)、第五45°平面全反射镜(5)和第六45°平面全反射镜(6)构成反射光路；
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束(A)和沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束(B)。
2.一种折叠式双光束磁光阱系统，包括一反亥姆赫兹线圈对(13、14)和一个立方体真空腔(15)，在该立方体真空腔(15)的直角坐标系XYZ的六个面的正中位置各具有一个玻璃窗口(6、7、8、9、10、11、12)，在Z轴方向相对的两个面上与相应的玻璃窗口(9、10)共心地贴设所述的反亥姆赫兹线圈对(13、14)，所述的反亥姆赫兹线圈对(13、14)所形成的零磁场与所述的立方体真空腔(15)的几何中 心重合，其特征在于：
在所述的立方体真空腔(15)之外设置有第一直角型组合棱镜(16)和第二直角型组合棱镜(17)，该直角型组合棱镜由一个等腰梯形和直角梯形组合而成，直角梯形的直角边与等腰梯形的底边一端重合，直角梯形的斜边与底边成45°角，等腰梯形的腰边与直角梯形的斜边等长，该直角型组合棱镜的两相互垂直的内边等长，该直角型组合棱镜的两端和直角处共有3个45°全反射内表面，所述的第一直角型组合棱镜(16)设置在XZ平面，使所述的第一直角型组合棱镜(16)一端的45°全反射内表面(161)与Z轴成45°，另一端的45°全反射内表面(163)与X轴成45°，所述的第二直角型组合棱镜(17)设置在YZ平面，使所述的第二直角型组合棱镜(17)一端的45°全反射内表面(171)与Z轴成45°，另一端的45°全反射内表面(173)与Y轴成45°；
沿X轴正方向入射的左旋圆偏振的激光光束(A)和沿Y轴负方向入射的右旋圆偏振的激光光束(B)。
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