CN102519928A - 一种直接获得单个原子成像的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低背景单个原子成像的获得方法，具体为一种直接获得单个原子成像的探测方法。本发明解决了单原子成像时因背景信号强导致探测难的问题。一种直接获得单个原子成像的探测方法，包括如下步骤：取由石英制成的方体玻璃真空气室；构建磁光阱系统的光场部分和磁场部分；构建远红失谐的微光学偶极阱；激发光与相互正交的三束光中的一束重合后用透镜组收集铯原子辐射出的荧光经偏振分束棱镜反射到干涉滤波片后射入多模光纤；非球面镜收集铯原子的荧光后经45度全反镜射入电荷耦合器件摄像机内，调节电荷耦合器件摄像机的成像区域获得单个原子的成像。本发明所述的方法可直接获得单原子成像，可广泛适用于单原子操控与测量及量子信息方面。

Description

一种直接获得单个原子成像的探测方法

技术领域

本发明涉及单个原子低背景成像的获得方法，具体为一种直接获得单个原子成像的探测方法。

背景技术

单个原子的控制和测量在超灵敏监测、超低信号分析与微纳尺度的操控与测量方面具有重要的应用前景，作为一个基本的量子系统，在探索和研究基础物理以及量子信息存储、量子通讯、量子计算等诸多方面具有极其重要的意义。早在1968年，前苏联的科学家就提出利用激光把原子俘获在光强最强处的建议，但因其阱深较浅，不能从室温背景气体中直接俘获原子(参见文献V. S. Letokhov, JETP Lett. 7, 272 (1968).)；此外还有人提出，基于两束对射的负失谐激光构建偶极力和散射力相结合三维光学偶极阱方案(参见文献A. Ashkin, Opt. Lett. 9, 454 (1984).)，因为远离共振没有饱和的问题，势阱可以做的较深，但此方案当时在实验上并不可行：一方面，当时并没有温度很低的冷原子，虽然势阱可以较深，但还不足以从背景气体中直接俘获常温的原子；另一方面，由于对射的两束激光，造成俘获区原子由于偶极力作用进行双光子受激辐射，这种过程是随机的，造成原子动量的涨落，引起明显的加热效应，不利于光学偶极阱的实现。随后人们开始利用光学偶极阱俘获冷原子，人们发现在较大的激光功率范围内都能把冷原子俘获在光学偶极阱中；但由于单个原子难于俘获且需要高精度的操控技术，在冷却与俘获原子过程中，总是伴随着原子的吸收和自发辐射，上述过程会破坏俘获原子的内部自由度。光学偶极阱是利用光与原子的偶极相互作用俘获预冷却的原子，特别是远失谐的光学偶极阱(FORT)；由于俘获光的频率远离原子跃迁线且其散射率极低，因此FORT可以认为是近似的保守势阱。在这种势阱中，原子内态的相干性可以得到较长时间的保持，同时利用光斑的强聚焦和多光束干涉效应可以构建多种构型的光学偶极阱，其阱的尺寸可以做到微米量级，即达到光的衍射极限，这有利于对原子空间局域化，实现外部自由度的控制；但是单原子信号非常微弱，容易受到背景环境的影响和调整精度的限制，不但需要考虑收集系统的空间位置以及信号的传输和空间滤波，还需要选择适当的激发波长和极其灵敏快速的探测系统，因此如何准确有效地获得高质量的单个原子的信号和图像，使背景干扰尽可能降低，仍是人们不断探究的一个问题。 

发明内容

本发明为了解决现有单原子成像时因背景信号强导致探测难的问题，提供了一种降低背景光干扰、直接获得单个原子成像的探测方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种直接获得单个原子成像的探测方法，包括如下步骤：

（一）、取由石英制成的长方体或正方体玻璃真空气室，在玻璃真空气室的外表面上镀一层与被测原子波长相同的减反射膜；玻璃真空气室与真空泵相连从而将玻璃真空气室维持在真空压强低于                                                

Pa的环境中；将通有电流的铯释放剂作为原子源放入玻璃真空气室中；

（二）、构建磁光阱系统的光场部分和磁场部分：光场部分包括冷却光激光器、再泵浦光激光器，用饱和吸收光谱技术将冷却光激光器的频率锁定在铯原子D2线的负失谐5-15MHz处、再泵浦光激光器的频率锁定在铯原子D2线

的共振跃迁线上；将冷却光激光器、再泵浦光激光器发出的激光用光束耦合器件耦合，出射光用望远镜将光束的直径扩大至2-5mm后经分光棱镜按功率等分为三束，三束光均经第一四分之一波片转换为圆偏振光后入射到玻璃真空气室中并使三束光相互正交；三束光从玻璃真空气室中射出后均经第二四分之一波片、零度全反镜原路返回，从而形成磁光阱系统的光场部分；磁场部分包括四极磁场、位于玻璃真空气室外的补偿磁场，四极磁场由磁场梯度为5Gauss/cm-20Gauss/cm的一对反亥姆霍兹线圈产生而补偿磁场由磁场强度小于1Gauss的三对亥姆霍兹线圈产生；四极磁场的位置应当保证磁场强度为零的点位于玻璃真空气室中与相互正交的三束光的交点重合，重合点处形成原子俘获区域，补偿磁场用于抵消在俘获原子区域的包括地球磁场、周围磁性材料磁场等在内的杂散磁场，保证在俘获原子区域的磁场为零；将铯释放剂通电流释放铯原子，磁光阱系统的原子俘获区域俘获数量为

的铯原子；

（三）、构建远红失谐的微光学偶极阱：将瓦级、单频连续波长为1064nm的激光器发出的激光射入声光调制器中，声光调制器发出的一级衍射光射入波长为1064nm的单模保偏光纤后经偏振分束棱镜射入数值孔径为0.29且物距为36mm的透镜组（所述透镜组选用三片凸透镜和一片凹透镜的组合、或单片非球面透镜）中，调节偏振分束棱镜、单模保偏光纤的位置使透过透镜组后的出射光聚焦且腰斑尺寸小于2um，从而形成微光学偶极阱；

（四）、将透镜组、偏振分束棱镜、以及单模保偏光纤固定于三维平移台上，调节三维平移台的三个独立自由度使微光学偶极阱的腰斑与磁光阱系统的原子俘获区域完全重合，在碰撞阻挡效应下将磁光阱系统的原子俘获区域中的一个原子装载到微光学偶极阱中；

（五）、将一束波长为894nm且光强稳定在20uW以下的激发光与相互正交的三束光中的一束重合使得该激发光与铯原子D1线

的共振跃迁线共振，用透镜组收集铯原子辐射出的荧光经偏振分束棱镜反射到透射率为十万分之一且带宽小于2nm的干涉滤波片上，调整后入射到射波长为894nm且芯径为100um的多模光纤中；其中：透镜组收集铯原子荧光的收集范围占整个4π立体空间的2.1%； 

 （六）、将单光子探测器与多模光纤相连进行铯原子中荧光信号的探测，用计数器与单光子探测器相连进行计数统计得到单个原子的荧光信号图（如图2所示），因铯原子是不停运动的且光学偶极阱中只有一个铯原子，从图上可以看出，铯原子不断进出于光学偶极阱中，因此可根据荧光信号图统计分析得到在这种情况下（磁光阱开启）单个原子在微光学偶极阱中的平均停留时间（如图3所示）、单个原子荧光光子计数率的统计分布图（如图4所示）；

（七）、在玻璃真空气室中内放置非球面镜、45度全反镜，玻璃真空气室的顶部设有与45度全反镜位于同一竖直线上的电荷耦合器件摄像机；非球面镜收集铯原子的荧光后经45度全反镜射入电荷耦合器件摄像机（CCD）内，调节电荷耦合器件摄像机的成像区域使微光学偶极阱的中心落在电荷耦合器件摄像机成像区域的中心位置，即可获得单个原子的成像（如图5所示）。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明所述的方法实现了单个原子的俘获和探测，不仅探测得到单个原子的荧光信号，而且同时拍摄得到单个原子的二维图像；利用数值孔径为0.29且物距为36mm、收集铯原子荧光的收集范围占整个4π立体空间的2.1%的透镜组，实现强聚焦和对极弱信号的有效探测；采用一束波长为D1线894nm且光强稳定在20uW以下的激发光去激发铯原子，极大地降低了波长为852nm的冷却光激光器和再泵浦光激光器的背景噪声同时在垂直方向观测单原子荧光，这些措施大大降低了单原子探测过程中的背景干扰。

(2)探测过程中激发光与电荷耦合器件摄像机和单原子探测器收集荧光的方向不重合，进一步降低激发光自身的背景干扰；同时结合光纤耦合后本身的空间过滤作用并采用干涉滤光片，大幅度提高了单原子成像的质量和信噪比。

(3)本发明采用由石英制成的长方体或正方体玻璃真空气室，并在玻璃真空气室的外表面上镀一层与被测原子波长相同的减反射膜，这使得光介入更加方便，实现了对单个原子在微米尺度内的有效控制，控制范围在2μm以内，如图3所示俘获寿命约为9.0s。在玻璃真空气室中放置45度全反镜，使成像区域更加准确清晰，也大大降低单原子成像的背景噪声。

本发明所述的方法可直接获得单原子成像，解决了现有单原子成像时因背景信号强导致探测难的问题，可广泛适用于单原子操控与测量及量子信息方面。

附图说明

图1是本发明的连接示意图；其中：实现为电连接，虚线为光连接。

图2是本发明通过计数器计数统计得到的单个原子荧光信号图。

图3是本发明由图2中统计分析得到的单个原子在偶极阱中的平均停留时间曲线图。

图4是本发明从图2中得到的光学偶极阱中原子荧光光子计数率的统计分布图；其中：第一个峰对应没有原子，第二个峰对应为内含一个原子。

图5是本发明得到的单个原子荧光成像。

图中：1-玻璃真空气室；2-铯释放剂；3-冷却光激光器；4-再泵浦光激光器；5-光束耦合器件；6-望远镜；7-第一四分之一波片；8-第二四分之一波片；9-零度全反镜；10-瓦级、单频连续波长为1064nm的激光器；11-声光调制器；12-单模保偏光纤；13-偏振分束棱镜；14-透镜组；15-干涉滤波片；16-多模光纤；17-单光子探测器；18-非球面镜；19-45度全反镜；20-电荷耦合器件摄像机；21-分光棱镜。

具体实施方式

一种直接获得单个原子成像的探测方法，包括如下步骤：

（一）、取由石英制成的长方体或正方体玻璃真空气室1，在玻璃真空气室1的外表面上镀一层与被测原子波长相同的减反射膜；玻璃真空气室1与真空泵相连从而将玻璃真空气室1维持在真空压强低于

Pa的环境中；将通有电流的铯释放剂2作为原子源放入玻璃真空气室1中；

（二）、构建磁光阱系统的光场部分和磁场部分：光场部分包括冷却光激光器3、再泵浦光激光器4，用饱和吸收光谱技术将冷却光激光器3的频率锁定在铯原子D2线的负失谐5-15MHz处、再泵浦光激光器4的频率锁定在铯原子D2线

的共振跃迁线上；将冷却光激光器3、再泵浦光激光器4发出的激光用光束耦合器件5耦合，出射光用望远镜6将光束的直径扩大至2-5mm后经分光棱镜21按功率等分为三束，三束光均经第一四分之一波片7转换为圆偏振光后入射到玻璃真空气室1中并使三束光相互正交；三束光从玻璃真空气室1中射出后均经第二四分之一波片8、零度全反镜9原路返回，从而形成磁光阱系统的光场部分；磁场部分包括四极磁场、位于玻璃真空气室外的补偿磁场，四极磁场由磁场梯度为5Gauss/cm-20Gauss/cm的一对反亥姆霍兹线圈产生而补偿磁场由磁场强度小于1Gauss的三对亥姆霍兹线圈产生；四极磁场的位置应当保证磁场强度为零的点位于玻璃真空气室中与相互正交的三束光的交点重合，重合点处形成原子俘获区域；将铯释放剂2通电流释放铯原子，磁光阱系统的原子俘获区域俘获数量为

的铯原子；

（三）、构建远红失谐的微光学偶极阱：将瓦级、单频连续波长为1064nm的激光器10发出的激光射入声光调制器11中，声光调制器11发出的一级衍射光射入波长为1064nm的单模保偏光纤12后经偏振分束棱镜13射入数值孔径为0.29且物距为36mm的透镜组14中，调节偏振分束棱镜13、单模保偏光纤12的位置使透过透镜组14后的出射光聚焦且腰斑尺寸小于2um，从而形成微光学偶极阱；

（四）、将透镜组14、偏振分束棱镜13、以及单模保偏光纤12固定于三维平移台上，调节三维平移台的三个独立自由度使微光学偶极阱的腰斑与磁光阱系统的原子俘获区域完全重合，在碰撞阻挡效应下将磁光阱系统的原子俘获区域中的一个原子装载到微光学偶极阱中；

（五）、将一束波长为894nm且光强稳定在20uW以下的激发光与相互正交的三束光中的一束重合使得该激发光与铯原子D1线的共振跃迁线共振，用透镜组14收集铯原子辐射出的荧光经偏振分束棱镜13反射到透射率为十万分之一且带宽小于2nm的干涉滤波片15上，调整后入射到射波长为894nm且芯径为100um的多模光纤16中；其中：透镜组14收集铯原子荧光的收集范围占整个4π立体空间的2.1%；

 （六）、将单光子探测器17与多模光纤16相连进行铯原子中荧光信号的探测，用计数器与单光子探测器17相连进行计数统计得到单个原子的荧光信号图，根据荧光信号图统计分析得到单个原子在微光学偶极阱中的平均停留时间、单个原子荧光光子计数率的统计分布图；

（七）、在玻璃真空气室1中内放置非球面镜18、45度全反镜19，玻璃真空气室1的顶部设有与45度全反镜19位于同一竖直线上的电荷耦合器件摄像机20；非球面镜18收集铯原子的荧光后经45度全反镜19射入电荷耦合器件摄像机20内，调节电荷耦合器件摄像机20的成像区域使微光学偶极阱的中心落在电荷耦合器件摄像机20成像区域的中心位置，即可获得单个原子的成像。

Claims (4)

1.一种直接获得单个原子成像的探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

（一）、取由石英制成的长方体或正方体玻璃真空气室（1），在玻璃真空气室（1）的外表面上镀一层与被测原子波长相同的减反射膜；玻璃真空气室（1）与真空泵相连从而将玻璃真空气室（1）维持在真空压强低于                                                

Pa的环境中；将通有电流的铯释放剂（2）作为原子源放入玻璃真空气室（1）中；

（二）、构建磁光阱系统的光场部分和磁场部分：光场部分包括冷却光激光器（3）、再泵浦光激光器（4），用饱和吸收光谱技术将冷却光激光器（3）的频率锁定在铯原子D2线

的负失谐5-15MHz处、再泵浦光激光器（4）的频率锁定在铯原子D2线

的共振跃迁线上；将冷却光激光器（3）、再泵浦光激光器（4）发出的激光用光束耦合器件（5）耦合，出射光用望远镜（6）将光束的直径扩大至2-5mm后经分光棱镜（21）按功率等分为三束，三束光均经第一四分之一波片（7）转换为圆偏振光后入射到玻璃真空气室（1）中并使三束光相互正交；三束光从玻璃真空气室（1）中射出后均经第二四分之一波片（8）、零度全反镜（9）原路返回，从而形成磁光阱系统的光场部分；磁场部分包括四极磁场、位于玻璃真空气室（1）外的补偿磁场，四极磁场由磁场梯度为5Gauss/cm-20Gauss/cm的一对反亥姆霍兹线圈产生而补偿磁场由磁场强度小于1Gauss的三对亥姆霍兹线圈产生；四极磁场的位置应当保证磁场强度为零的点位于玻璃真空气室中且与相互正交的三束光的交点重合，重合点处形成原子俘获区域；将铯释放剂（2）通电流释放铯原子，磁光阱系统的原子俘获区域俘获数量为

的铯原子；

（三）、构建远红失谐的微光学偶极阱：将瓦级、单频连续波长为1064nm的激光器（10）发出的激光射入声光调制器（11）中，声光调制器（11）发出的一级衍射光射入波长为1064nm的单模保偏光纤（12）后经偏振分束棱镜（13）入射到数值孔径为0.29且物距为36mm的透镜组（14）中，调节偏振分束棱镜（13）、单模保偏光纤（12）的位置使透过透镜组（14）后的出射光聚焦且腰斑尺寸小于2um，从而形成微光学偶极阱；

（四）、将透镜组（14）、偏振分束棱镜（13）、以及单模保偏光纤（12）固定于三维平移台上，调节三维平移台的三个独立自由度使微光学偶极阱的腰斑与磁光阱系统的原子俘获区域完全重合，在碰撞阻挡效应下将磁光阱系统的原子俘获区域中的一个原子装载到微光学偶极阱中；

（五）、将一束波长为894nm且光强稳定在20uW以下的激发光与相互正交的三束光中的一束重合使得该激发光与铯原子D1线的共振跃迁线共振，用透镜组（14）收集铯原子辐射出的荧光经偏振分束棱镜（13）反射到透射率为十万分之一且带宽小于2nm的干涉滤波片（15）上，调整后入射到射波长为894nm且芯径为100um的多模光纤（16）中；其中：透镜组（14）收集铯原子荧光的收集范围占整个4π立体空间的2.1%；

 （六）、将单光子探测器（17）与多模光纤（16）相连进行铯原子中荧光信号的探测，用计数器与单光子探测器（17）相连进行计数统计得到单个原子的荧光信号图，根据荧光信号图统计分析得到单个原子在微光学偶极阱中的平均停留时间、单个原子荧光光子计数率的统计分布图；

（七）、在玻璃真空气室（1）中内放置非球面镜（18）、45度全反镜（19），玻璃真空气室（1）的顶部设有与45度全反镜（19）位于同一竖直线上的电荷耦合器件摄像机（20）；非球面镜（18）收集铯原子的荧光后经45度全反镜（19）射入电荷耦合器件摄像机（20）内，调节电荷耦合器件摄像机（20）的成像区域使微光学偶极阱的中心落在电荷耦合器件摄像机（20）成像区域的中心位置，即可获得单个原子的成像。

2.根据权利要求1所述的一种直接获得单个原子成像的探测方法，其特征在于：所述冷却光激光器（3）、再泵浦光激光器（4）均选用光栅反馈半导体激光器。

3.根据权利要求1或2所述的一种直接获得单个原子成像的探测方法，其特征在于：所述光束耦合器件（5）选用单模光纤、偏正分束棱镜、双色镜以及窄带滤波片。

4.根据权利要求1或2所述的一种直接获得单个原子成像的探测方法，其特征在于：所述透镜组（14）选用三片凸透镜和一片凹透镜的组合、单片非球面透镜。

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