CN102969038A - 用于中性原子的二维磁光阱 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于碱金属中性原子的二维（2D）磁光阱（MOT），其沿长对称轴建立零磁场。3对囚禁激光束中的2对不沿四极磁场的对称轴，而是与长轴成大的非零度夹角布置。在暗线二维磁光阱配置中，存在两束正交的再抽运光束。在每一束再抽运光中有一条不透明线被成像于长轴上，并且两条图像的交叠形成一条位于长轴上的暗线区域，此处没有再抽运光。沿长轴的零磁场区域可以使冷原子保持长的基态相干时间而无需关断磁光阱的磁场，这使高重复率和高占空比地对磁光阱进行操作成为可能。

Description

用于中性原子的二维磁光阱

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2011年8月29日提交的被转让给其受让人和至少一位发明人的编号为61/573,081的临时性专利申请文件和于2012年2月23日由其发明人提交的被转让给其受让人的编号为61/634,086的临时性专利申请的优先权，以上两个文件均通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及用于量子光学试验中的具有高光学厚度的中性原子囚禁装置。

背景技术

自从上世纪80年代激光冷却和囚禁技术发展起来以后[E.L.Raab,M.Prentiss,A.Cable,S.Chu,and D.E.Pritchard,Phys.Rev.Lett.59,2631(1987)]（其获得1997年度的诺贝尔物理学奖），

磁光阱（MOT）已被广泛应用和实施于原子物理和量子光学等领域以便为科研提供冷原子源。多种可用于原子传感器和量子光学领域的冷原子装置已被发明，部分已实现商品化[参见ColdQuanta Inc;D.Z.Anderson and J.G.J.Re i chel,美国专利号2005/0199871;D.Z.Anderson等,美国专利号2010/0200739;M.Hyodo,美国专利号7,816,643B2]。最常用的冷原子装置是三维（3D）磁光阱，它由六束囚禁激光束和一个三维四极磁场构成，其中冷原子云被以球形囚禁于磁场零点的位置。在那种结构中，空间上只有一个磁场零点，而且原子在每一个方向上都历经磁场梯度。因此，对于需要长的原子相干时间的实验和应用，例如电磁感应透明（EIT）、原子的量子存储以及单光子产生等等，必须在实验的时间窗口之前关断磁场[A.Kuzmich,W.P.Bowen,A.D.Boozer,A.Boca,C.W.Chou,L.-M.Duan,and H.J.Kimble,Nature423,731(2003).]。这显著增加了控制系统的复杂程度并妨碍了以高重复率采集实验数据，这是因为要关断电感在磁场线圈中引起的电流始终需要一定的时间。基于三维磁光阱的量子光学和光子计数实验是一种典型的费时实验。

一种改进的方案是将三维的四极磁场变为具有一条零磁场线的二维的四极磁场。这被称为二维磁光阱，其中冷原子被囚禁在沿长对称轴的零磁场线周围。常规的二维磁光阱装置有两种配置。在第一种配置中，仅有4束垂直于长对称轴传播的囚禁激光[T.G.Tiecke,S.D.Gensemer,A.Ludewig,and J.T.M.Walraven,Phys.Rev.A80,013409(2009)]。这导致冷却和囚禁仅在二维上发生，沿着原子可以自由移动的长对称轴不存在冷却和囚禁。在第二种配置中，沿长轴方向增加了2束相向传播的囚禁激光从而在第三维上提供了额外的冷却[K.Dieckmann,R.J.C.Spreeuw,M.Weidemuller,and J.T.M.Walraven,Phys.Rev.A58,3891(1998)]。然而在那种装置中，沿长对称轴方向的光学通道被沿该方向的两束囚禁光阻挡或分享。常规二维磁光阱通常用来产生移动原子束而不是提供稳定的原子陷阱。

高光学厚度（OD）是许多量子光学研究中的所追求的条件[A.V.Gorshkov,A.Andre,M.Fleischhauer,A.S.Sorensen,and M.D.Lukin,Phys.Rev.Lett.98,123601(2007)]，但是在传统的磁光阱光学配置中，通常通过增加磁光阱的尺寸使得原子云中能够包含更多的冷原子来获得高OD。但是，磁光阱的尺寸通常是由磁光阱激光束的尺寸决定并且受到激光总功率的限制。另一种提高OD的方法是使用暗点配置来增加原子云中的原子密度[W.Ketterle,K.B.Davis,M.A.Joffe,A.Martin and D.E.Pritchard,Phys.Rev.Lett.70,2253(1993)]，但在应用中经常要求关断磁场梯度。另外，在常规二维磁光阱中，光学通道由于其几何形状而受限，并且OD也需要进一步提高。

发明内容

二维（2D）磁光阱（MOT）包括原子源、可烘烤的超高真空吸收池、二维的四极磁场、至少六束囚禁光和至少一束再抽运激光束。在暗线二维磁光阱装置中，使用了两束正交的再抽运激光束，每束光中的暗线在吸收池的中心沿着长对称轴方向相交。至少两对囚禁激光束没有沿着四极磁场的对称轴布置：它们被沿着与磁光阱的长对称轴有非零度夹角的方向布置。

附图说明

图1是具有八边形吸收池和磁场线圈的二维磁光阱的装置示意性示图，以及示出了激光束的布置。

图2A和图2B是从两个视角给出的单线磁场线圈及其布线结构的示意图。

图3A和图3B是八边形玻璃池的示意图。图3A描绘了带有转接管的八边形玻璃池。图3B描绘了八边形玻璃池及其带有磁场线圈和6束囚禁光的布置。

图4A和图4B是矩形玻璃池的示意图。图4A描绘了矩形玻璃池。图4B描绘了矩形玻璃池及其带有磁场线圈和6束囚禁光的布置。

图5是具有矩形真空吸收池、磁场线圈以及激光束布置的二维磁光阱装置结构的示意性示图。

图6是示出建立在单个矩形吸收池中的两个磁光阱的示意图。

图7A至图7C是示出在常规三维磁光阱（图7A）、常规二维磁光阱（图7B）、和具有45度光束布置的二维磁光阱（图7C）中相对于磁场图案的激光束布置的示意图。

图8是描绘相关的⁸⁵Rb原子能级和激光跃迁线的示图。

图9A和图9B分别为从x方向（图9A）和从y方向（图9B）看到的磁光阱中⁸⁵Rb冷原子的荧光像。

图10A至图10C为暗线二维磁光阱配置的示意性示图。图10A是三维示图。图10B和图10C分别是在x-y和y-z平面上的截面图。

图11A和图11B是用于产生二维磁光阱四极磁场的另外两种配置的示意图。图11A描绘了多匝磁场线圈组，图11B描绘了永磁体组。

图11B中的插图显示了4个磁体在x-y平面中的布置。

图12A至图12C展示EIT测量方案原理图。图12A描绘了⁸⁵Rb原子D1线中有关的原子能级图。图12B描绘了光学装置。图12C描绘了磁光阱和EI T测量的时序。

图13A和图13B是显示了暗线二维磁光阱的主要的吸收测量结果的示图。图13A描绘了在二能级系统和EIT系统中的探测吸收谱轮廓。图13B描绘了测量到的OD在无暗线的二维磁光阱、无退布居光束的暗线二维磁光阱、有退布居光束的暗线二维磁光阱中随着两个释放器中的电流变化的情况。

图14是在暗线二维磁光阱中测量的OD随占空比的变化的曲线图。

具体实施方式

概述

二维磁光阱2D MOT系统使用6束囚禁激光束。二维磁光阱在对称轴上没有囚禁激光束，从而为进一步的实验保留了全部光学通道。在进行量子光学实验时，无需关断磁场以保持长的原子相干时间。以下以⁸⁵Rb原子为例进行阐述。此处描述的原理性可用于其他中性原子。

在一个实施例中，二维磁光阱装置包含紧凑的可烘烤的超高真空吸收池、单个中空导线磁场线圈、以及具有6束囚禁激光的光学布置系统。可烘烤的超高真空吸收池包括具有光学质量的玻璃池、全金属六通腔、原子释放源、离子泵和涡轮分子泵。玻璃池可为八边形或矩形。采用单线设计的磁场线圈产生一个沿长轴方向具有零磁场线的二维四极磁场。

囚禁激光采用6光束配置。2束相向传播的囚禁激光束垂直于长对称轴方向传播，并且其余4束（两两相向传播）囚禁激光束布置为与对称轴呈45度角。冷原子沿对称轴被囚禁。由于在对称轴上没有囚禁光束，因此该装置沿对称轴方向上提供了全部光学通道。作为6光束配置的结果，获得了三维冷却效应，因此尽管原子被（二维地）囚禁在一条线上，然而磁光阱的冷却效应在所有方向上都存在。

该二维磁光阱能够囚禁具有高光学厚度的稳定的线状冷原子云。沿对称轴的零磁场线使得无需关断磁光阱磁场就可以获得长的原子基态相干时间。因此，二维磁光阱适合于以高重复率进行的量子光学研究实验，例如电磁感应透明、原子存储和贮存、单光子和双光子产生等。

这种配置与常规配置的不同之处在于在公开的二维磁光阱装置中2（或3）对穿过二维磁光阱的囚禁激光束并非沿四极磁场的对称轴，而是以大的非零度角来布置。在一个非限制性的示例中，45度夹角的布置被选择为最优布置，将最优布置用作目标布置。

对于给定的囚禁激光总功率，6光束配置被认为是最优配置。以6光束配置为基础，可以增加更多相向传播的光束对来获得类似的囚禁效果。选择6光束配置是为了获得尽可能高的光学厚度和囚禁尽可能多的原子。有可能用较少的光束实现有效的磁光阱，例如4光束二维磁光阱，也可能用多于6光束实现有效的磁光阱，但是非6束配置对于给定的总激光功率不是最优的。

在一个公开的配置中，实施了暗线二维磁光阱系统。该配置包括（a）原子源，（b）可烘烤的超高真空吸收池，（c）二维四极磁场，（d）至少6束囚禁激光束；以及（e）2束相互垂直的再抽运激光束，沿长轴有一条在中心处相交的暗线。

在该实例中，使用了2束正交的再抽运激光束。在每束再抽运光束中均有一条不透明的线被成像于二维磁光阱的长轴上。这两条线的图像的交叠在不存在再抽运光的长轴中产生了暗线区域。

在暗线二维⁸⁵Rb磁光阱的一个示例中，使用40mw的囚禁激光功率和18mw的再抽运激光功率，在电磁感应透明（EIT）实验中我们能够获得高达160的原子OD，其对应于NL=2.05×10¹⁵m^-2的密度-长度积。在闭合二能级系统中，OD可高达600甚至更高。二维磁光阱示例配置使得在长轴方向上保留了原子的全部光学通道而在空间上不会与囚禁激光束发生干涉。而且，沿长轴的零磁场使冷原子能够在不关断磁光阱磁场的情况下保持长的基态相干时间，这使得以高重复率和高占空比对磁光阱进行操作成为可能。该二维磁光阱对于基于原子系综的量子光学的应用（例如EIT、纠缠光子对产生、光学量子存储和量子信息处理）是理想的。

一个示例配置使用了两束正交的再抽运激光束。在每束再抽运激光束中，一条不透明的线被成像于二维磁光阱的长轴上。不透明线被置于玻璃池外并且置于再抽运光束的光路中以阻挡一部分光。使用透镜来将金属丝成像于二维磁光阱中的原子云中心，由此得到两条不透明线的图像。来自于两个再抽运光束的两个金属丝图像的交叠在空间上产生一条位于长轴上的暗线，此处没有再抽运光。作为一个非限定的示例，不透明线由直径为0.6mm的铜线产生，两个图像是对该金属丝成的像。

6束囚禁激光仍然覆盖整个磁光阱。对比以前再抽运光中没有暗线的情形，暗线二维磁光阱能够以更低的激光功率实现更高光学厚度的线状冷原子囚禁。

结构

该二维磁光阱装置能够产生高的光学厚度和低的基态解相率（即长的相干时间）的激光冷却原子系综。该装置包括可烘烤的超高真空吸收池、单束中空导线磁场线圈以及具有6束囚禁激光束的光学布置。该装置的特征包括由磁场线圈产生的二维四极磁场以及能为冷原子保留了沿对称轴方向的最大的光学通道的激光束布置。这套系统可以在高重复率下运行，因为无需关断磁场就可以获得长的原子基态相干时间。

图1是具有八边形玻璃池和磁场线圈的二维磁光阱装置的示意图，其示出了激光束的布置。图1展示了二维磁光阱装置的概观，其包括可烘烤的紧凑超高真空腔体111、单束中空导线磁场线圈120、以及包含6束编号分别为131、132、133、134、135和136的囚禁激光束的光学布置。超高真空腔体111包括八边形玻璃池140、六通真空腔143、连接着原子释放器的连接线145、可烘烤的真空阀151、连接管153、涡轮分子泵161、以及离子泵163。玻璃池140、连接线145、真空阀151和连接管153都连接在六通真空腔143的六个接口上，如图1所示。涡轮分子泵161连接于真空阀151的第二接口处。离子泵163连接到连接管153的第二接口处。涡轮泵161仅在预备真空的烘烤阶段使用。在烘烤结束并且真空已经预备好之后，离子泵163被启动，真空阀151被关闭，然后涡轮泵161被关闭。由于此后涡轮泵161不再使用，所以当离子泵163正常工作后可以将涡轮泵从真空系统上拆除。因此，涡轮泵161也可以被标准的涡轮泵站取代。围绕在玻璃池140周围的是磁场线圈120。6束激光束在如图1所示的以下方向上进行布置：一对相向传播的光束131和132沿y轴垂直入射到大的玻璃窗口中心，另外两对相向传播的光束133和134、135和136相对于长对称轴即x轴呈45度角入射。

图2A和图2B是在两个视角上得到的单线磁场线圈及其布线结构的示意图，其示出了磁场线圈120的结构细节。磁场线圈120由单根中空导线或导体制成，它的两个接口221和222用于连接电流源。假定电流从接口221流入从接口222流出，图2A和图2B中的箭头显示了三维线圈结构中的电流流向和布线方向。电流可以反向。采用单根导线可以消除零磁场点在空间上的波动。单线设计还可以最小化线圈接头的接触电阻从而降低功率耗散。

图3A和3B是八边形玻璃池的示意图。八边形玻璃池140及其安装夹具的详细图解见图3A。图中展示了八边形玻璃腔体300、玻璃到金属的转接管315、以及金属法兰317。玻璃腔体300包括位于前面和后面的一对大窗口331和332、以及7个较小的窗口333-339（第8个小窗口的位置被转接管315占据）。

图3B描绘了八边形玻璃池140以及它与磁场线圈120和6束囚禁激光束131-136的布置。6激光束131-136按以下方式布置：激光束131和132垂直于两面大窗口331和332入射，激光束133和134垂直于两面小窗口335和339入射，激光束135和136垂直于两面小窗口337和333入射。窗口334、336和338被留空，为进一步的实验保留了通道。

另一种可选的方案是采用矩形的玻璃池。图4A和图4B是采用矩形玻璃池的示意图。图4A展示了第二种实例即采用矩形的玻璃真空吸收池401及其相应的磁场和光学布置的示意图。玻璃池401的详细图示见图4A，它包括矩形玻璃腔体410、玻璃到金属转接管415、金属法兰417等。玻璃腔体410还包括4面矩形窗口431-434和一对正方形窗口435和436。

图4B描述了矩形玻璃池410以及它与磁场线圈120和6束囚禁激光束441-446的布置6束激光束被朝向4面矩形窗口配置，正方形的边窗435和436被留空为进一步实验保留光学通道。

图5是具有矩形真空玻璃池401、磁场线圈和激光束配置的二维磁光阱装置511的结构示意图。总体配置与图1相同。

具有矩形玻璃池401的装置也可用于建立沿长轴的多个磁光阱。作为一个示例，图6是示出两个磁光阱被建立在单个矩形玻璃吸收池里的示意图，其示出了具有矩形吸收池的两个磁光阱配置。通过相同的二维四极磁场和两组囚禁激光，两个分离的磁光阱611和612如图所示被产生。该原理上可以扩展到多于两个磁光阱的情形。

图7A至图7C是激光束在常规三维磁光阱（图7A）、常规二维磁光阱（图7B）以及所描述的二维磁光阱（图7C）中的光束配置对比示意图。

图7C展示了45度激光束配置的物理机制，并与图7A中的常规三维磁光阱以及图7B中的常规二维磁光阱中的光束配置相比较。如图7A所示，在常规的三维磁光阱中，磁场713由具有反向电流的一对反亥姆赫兹线圈711和712产生。沿磁力线713的箭头指示磁场方向。为了清楚显示激光束是如何布置的，三维绘图被分别投影到y-z和x-z平面上，此处的z是长对称轴。采用如图7A所示的配置，在-z轴位置磁场指向+z方向，而在+z轴位置磁场指向-z方向，在-x（或-y）轴位置磁场指向-x（-y）方向，在+x（或+y）轴位置磁场指向+x（+y）方向。6束激光束714、715、716、717、718和719，以及它们的偏振根据磁场的方向进行布置。此处圆偏振光的右旋（RHC）和左旋（LHC）是从接收者的观察角度来定义的。

在三维磁光阱配置中，6束光的圆偏振状态如图7A所示：在z轴上的两束光714和715均为右旋圆偏振，其余4束均为左旋圆偏振。该系统具有沿z轴的旋转对称性，因此在x-y平面上的x轴和y轴的选择没有偏重。在如图7B所示的常规二维磁光阱配置中，磁场723可被等效为由4根直导线721、722、731和732产生，这产生了沿z轴的零磁场。在4光束二维磁光阱配置中，沿z轴没有激光束。沿y和x方向的激光束726、727、728和729的偏振状态如图7B所示，并且它们都垂直于z轴。在这种配置下沿z轴没有冷却效应，因此通常用于产生移动的原子束。为了在z轴方向上提供附加的冷却的效应，在z轴上增加一对相向传播的光束724和725.对这两束激光的偏振没有要求，因为沿z轴的磁场为零。

根据本公开配置的二维磁光阱的6束激光束布置如图7C所示。公开的这种二维磁光阱与常规二维磁光阱布置的不同之处在于，在y-z平面上的4束光并不沿磁场方向，也就是y和z轴。这4束激光734、735、736和737相对于z轴成45度角进行布置。换言之，它们也与磁力线733成45度夹角。这4束激光均为左旋圆偏振。沿x轴的2束激光为右旋圆偏振，与常规设计的配置相同。这种独特的光束配置不但可以获得稳定的高光学厚度的磁光阱，还为实验开放了沿z轴方向的全部光学通道。以上描述是作为一个示例而阐述。正如前面提到，激光束的偏振状态与磁场方向密切相关。在以上图7A、图7B和图7C的配置中，如果磁场方向反向（通过颠倒电流方向而获得），则需将原右旋圆偏振改为左旋圆偏振，以及将左旋圆偏振改为右旋圆偏振。

图8是⁸⁵Rb原子的能级图，以及所公开的二维磁光阱所需激光频率的配置。6束囚禁激光束的频率相对于|5S_1/2,F=3>→|5P_3/2，F=4>的跃迁红失谐20MHz,总功率约100mW。再抽运激光的频率与|5S_1/2,F=2>→|5P_3/2，F=2>的跃迁共振，再抽运激光与6束囚禁光束中的一束重叠，并且功率为10mW。

图9A和图9B为磁光阱中⁸⁵Rb冷原子的荧光图像，图9A是从x方向观察，图9B是从y方向观察。在图9显示的囚禁原子的荧光图像表明被囚禁的原子数目约为10⁸～10⁹，温度约为100μK。参照图3，图9A中的图像是通过窗口331或332获取的，而图9B中的图像则是通过转接管315获取的。

暗线二维磁光阱装置

暗线二维磁光阱装置产生具有高光学厚度和低基态解相率（或长的相干时间）的激光冷却的原子系综。该装置包括可烘烤的超高真空吸收池、二维四极磁场、至少6束囚禁激光束和2束正交的带交叉暗线的再抽运激光束。以下以⁸⁵Rb原子为例进行阐述。此处的原理性描述也可用于其他中性原子。

图10A到图10C是暗线二维磁光阱装置的原理示意图。图10A是三维图。图10B和图10C分别是沿x-y和y-z平面的截面图。⁸⁵Rb原子D₂线的能级以及磁光阱的激光对应的跃迁与图8所示类似，此处提供了一个应用的实例。

磁光阱配置包括：箭头1010指示的电流流经磁场线圈1009产生的二维四极磁场，6束囚禁光束1021、1022、1023、1024、1025和1026，2束再抽运光束1027和1028以及交叠而成的暗线1034，如图10C所示。沿x轴有一对相向传播的囚禁激光束1021和1022。与常规二维和三维磁光阱的光束配置不同，其余4束囚禁光并非沿磁场的对称轴布置。例如，在常规二维磁光阱配置中，这4束囚禁激光束沿y轴和x轴入射。与此相反，在现在的这种二维磁光阱装置中，4束囚禁光1023、1024、1025和1026的入射方向与y和z轴成非零夹角（45度为最优），如图10C所示。由于原子沿长轴即x轴被囚禁，这种配置为沿原子线方向开放了全部的光学通道，并且在该方向上可获得高的光学厚度。图10A、图10B和图10C分别描述了磁场线圈电流的方向和磁场，以及6束囚禁激光束的σ⁺和σ^-偏振状态。为了有效的利用囚禁激光的功率，2束45度角的光束穿过1/4波片1044和1046然后被反射镜1035和1036沿原路反射，如图10C所示。使用了2束再抽运激光束。再抽运光束1027与沿x轴的囚禁光束1021重叠。再抽运光束1028沿y轴方向布置。在每一再抽运光束中都有一条不透明线。这些暗线的像通过光路上的透镜成像系统交叠在二维磁光阱的中心，从而产生沿z轴的再抽运光束暗线1034。在暗线区域，原子被抽运到黑态上与囚禁光脱耦，从而避免了囚禁光导致的辐射陷获损耗和加热。在⁸⁵Rb二维磁光阱的示例中，囚禁激光的频率相对于|5S_1/2,F=3>→|5P_3/2，F=4>跃迁红失谐20MHz，再抽运光频率与|5S_1/2,F=2>→|5P_3/2，F=2>跃迁共振。囚禁激光束和再抽运激光束的直径均为2cm。囚禁激光和再抽运激光的总功率分别为40mW和18mW。

图10A到图10C展示的是由单束正方形截面的中空铜线制成的水冷磁场线圈，类似于图2A和2B所示。图11A和图11B描绘了磁场线圈1009产生的磁场。这种线圈具有的小电感（～100μH）使得我们可以快速地开启和关断磁场。如果要求原子基态相干时间大于10μs，则必须对磁场进行操控。在测量期间不关断二维磁光阱的四极磁场的情况下，获得两个基态能级之间的解相率为γ₁₂=2π×0.03MHz，对应的相干时间为τ₁₂=5.3μs。如果几μs的相干时间对于应用而言已经足够长，则可以在所有时间保留四极磁场，并且磁场线圈也可以简化。在这种情况下，磁场线圈1009可以被4只独立的线圈（1111,1112,1113，和1114）取代，如图11A所示。每只线圈都由多匝导线绕制，因此可以通以较小的电流来进行驱动而无需附加水冷。这样的静态四极磁场也可以用4只永磁体条（1131,1132,1133，和1134）按照图11B所示的配置产生。采用永磁体条可以极大地简化系统并降低功耗，因为它们无需任何电源。前面所述的水冷也可以用其它液体冷却代替。

因此，磁场可以在实验期间保持连续，而同时维持达5μs的基态相干时间。磁场可以被关断以便得到大于5μs的基态相干时间。

暗线二维磁光阱可以实现图1中二维磁光阱装置的功能。在图9A和图9B中显示的⁸⁵Rb冷原子的荧光图像同样代表了暗线磁光阱装置获得的冷原子荧光图像。EIT测量结果被用来表征二维磁光阱的特性。EIT作为一种原子跃迁间的量子干涉现象被广泛用于操控原子介质的光学响应。它还被广泛应用于慢光、非线性波混频、光学开关、纠缠光子对产生、光学量子存储以及量子信息处理等方面。下面以⁸⁵Rb二维磁光阱中完成的测量为例进行阐述。

图12A至图12C是EIT测量方案的原理示意图，并展示了EIT的初步结果。图12A和图12B显示了弱的探测激光束1211和耦合激光束1212。耦合光束1212与探测光束1211之间具有夹角。作为一个非限定的例子，激光束1211和1222之间的夹角被设为3度。图12A是与EIT相关的⁸⁵Rb原子D1线（795nm）能级图，图12B是EIT光学装置，图12C是磁光阱和EIT测量的时序。Λ型EIT系统由以下三个能级构成：

|1>=|5S_1/2,F=2>,|2>=|5S_1/2,F=3>,以及|3>=|5P_1/2，F=3>。

如图12B所示，弱的探测激光（ω_p）束1211沿二维磁光阱的长轴（z轴）传播并聚焦于磁光阱中心，束腰处的1/e²光束直径为245μm。通过扫描激光频率穿过|1>→|3>跃迁用光电倍增管来探测吸收谱。为了确保研究的是线性传播效应，探测光的功率足够低使得原子布居基本上仍然保持在1态上。校准的耦合激光束1202的频率(ω_c)与|2>→|3>跃迁共振，1/e²光束直径为1.6mm，与探测光束成3度角穿过冷原子云。为了使EIT效应最优化，探测和耦合激光束具有相同的圆偏振σ⁺。采用周期性测量。每周期为T=5ms，其中磁光阱的囚禁时间设为t_MOT=4.2ms，测量任务窗口（包含态制备和EIT测量）时间设为t_duty=0.8ms。每次在磁光阱囚禁时间结束时，再抽运光关断之后，囚禁激光保留一个附加时间Δt=0.3ms用于将所有原子光抽运到基态|1>上，这将使得EIT效果更好。为了在任务窗口中缩短这0.3ms的时间，可以附加一束共振激光在短得多的时间(＜50μs)内更有效的实现原子抽运。原子被制备到基态|1>上之后，探测和(或)耦合激光被打开，以在任务窗口内完成吸收测量。该公开的装置也可用于囚禁⁸⁷Rb和其它碱金属原子。

图13A和图13B显示了暗线二维磁光阱的吸收测量的主要结果。图13A展示了OD=140时二能级系统和EIT系统中的探测吸收谱轮廓。当耦合激光不存在时(Ω_c=0)，EIT退化为二能级系统，并且探测激光在共振处获得最大吸收，如图13A所示。

图13B是描述了测得的OD作为两个原子释放器的电流的函数的曲线图。耦合激光的开启（Ω_c=2π×10.5MHz）为介质提供了一个狭窄的透明窗口，如图13A所示。在没有暗线时操作二维磁光阱，会发现当电流到达3.5A时，OD就趋于一个饱和值60，如曲线1301所示。在暗线二维磁光阱配置下，原子释放器通高电流时，OD明显增加至130，如曲线1302所示。在测量中发现，由于存在散射、衍射、成像系统不完美等因素，暗线处的再抽运光束并不完全黑暗。为了解决这一问题，在磁光阱囚禁时间里以很弱的功率（10μW）开启耦合激光作为退布居光束。在退布居光束存在的情况下，当原子释放器的电流为3.5A时，观测到OD由130略微增加到140，如曲线1303所示。对原子释放器通更大电流可以获得更高的OD。

系统性能的另一个重要参数是占空比，它定义为任务窗口的时间长度占整个周期的比例

$\mathrm{\η}=\frac{t_{\mathrm{duty}}}{T}---\left(1\right)$

由于磁光阱时间和用于EIT的任务窗口必须被分隔在不同的时间区间，因此占空比反映了冷原子的利用率。在任务窗口期间，由于存在背景碰撞、自由扩散、在重力场中下落等因素，一些原子会从阱中损失掉。因此，当占空比增加时光学厚度会降低。以上在OD=140时进行的测量占空比为η=16%。占空比可通过改变磁光阱的囚禁时间t_MOT或任务时间t_duty来调节。

图14是描述了通过原子释放器的电流为3.5A时测得的OD作为占空比的函数的曲线图。当占空比减小为8%时，可获得更高的OD（160）。占空比增加到35%,OD仍然高于100。对于大多数应用，OD约为50就已经足够，所以有可能在占空比为55%时运行二维磁光阱。如果只需要OD为10，那么有可能把占空比增加到80%。

以上所提到的OD是对应于EIT三能级的情形，此处|1>→|3>为开放跃迁，吸收截面为此处λ_p是共振时的探测激光波长。令原子密度为N，光学厚度可被表达为OD=α₀L=Nσ₁₃L。因此，原子密度N与长度L之积不依赖于所选择态的跃迁强度。当OD=160时，⁸⁵Rb暗线二维磁光阱系统可获得NL＝2.05×10¹⁵m^-2。在闭合的二能级系统中，如|5S_1/2,F=3,M_F=3>→|5P_3/2，F=4,M_F=4>中，吸收截面成为

此时可能获得超过600的OD。

结论

应当理解，在所附权利要求中所表达的本发明原理和范围之内，此处用于解释主题的本质所做的描述和阐述，可以从细节、材料、步骤和各部分的布置等方面被进行很多附加的改动。此处的原理性描述可以被用于冷却和囚禁其它中性原子，但需要不同波长的囚禁和再抽运激光。

Claims (17)

1.一种二维磁光阱装置，包括：

可烘烤的超高真空吸收池；

三维磁场线圈，其能够建立二维的四极磁场；以及

6+2n束囚禁激光束，其中n为整数，根据二维四极磁场的对称性对所述囚禁激光束进行布置，

其中所述囚禁激光束包括与长对称轴成非零度角布置的2+n对相向传播的激光束以及垂直于长对称轴的至少一对相向传播的激光束。

2.权利要求1的二维磁光阱装置，其中所述与长对称轴成非零度角布置的相向传播的激光束与长对称轴之间具有45度角的目标布置。

3.权利要求1的二维磁光阱装置，其中n的值为1，从而所述囚禁激光束包含3对相向传播的激光束。

4.权利要求1的二维磁光阱装置，其中所述可烘烤的超高真空吸收池包括玻璃池腔体、玻璃到金属的转接管和金属法兰。

5.权利要求4的二维磁光阱装置，其中所述玻璃池腔体具有八边形或者矩形中的一种形状。

6.权利要求1的二维磁光阱装置，其中所述三维磁场线圈包括带有液体冷却通道的单根中空导线或者导体。

7.权利要求1的二维磁光阱装置，其中所述三维磁场线圈产生具有沿对称轴的零磁场线的二维四极磁场，并且磁场在实验进行期间保持持续存在的同时，维持基态相干时间达5μs。

8.权利要求1的二维磁光阱装置，其中所述三维磁场线圈产生具有沿对称轴的零磁场线的二维四极磁场，并且磁场在实验进行期间被关闭以获得长于5μs的基态相干时间。

9.一种暗线二维磁光阱装置，包括：

原子源；

可烘烤的超高真空吸收池；

二维四极磁场；

至少6束囚禁激光束；以及

2束带有暗线的正交的再抽运激光束，所述暗线沿着长轴在中心处相交，

其中所述囚禁激光束包含与长对称轴成非零度角布置的2+n对相向传播的光束以及垂直于长对称轴的至少一对相向传播的激光束。

10.权利要求9的暗线二维磁光阱装置，其中所述与长对称轴成非零度角布置的2+n对相向传播的激光束与长对称轴具有45°的目标角度。

11.一种用于产生二维磁光阱中心的再抽运激光暗线的方法，包括：

在每一束再抽运光束中，使用透镜成像系统将不透明线成像到二维磁光阱的长轴上。

12.权利要求11的方法，其中两条线的图像的交叠产生了沿长轴方向的其中不存在再抽运光的暗线区域。

13.权利要求11的方法，进一步包括：

使用6+2n束囚禁激光束，其中n为整数，并且根据二维四极磁场的对称性对所述囚禁激光束进行布置，

其中所述囚禁激光束包括与长对称轴成非零度角布置的2+n对相向传播的激光束以及垂直于长对称轴的至少一对相向传播的激光束。

14.权利要求13的方法，进一步包括：使用与长对称轴成非零度角布置的相向传播的激光束来建立与长对称轴成45度角的目标布置。

15.权利要求13的方法，其中所述n的值为1，从而所述囚禁激光束包含3对相向传播的光束。

16.权利要求13的方法，进一步包括：使用的可烘烤的超高真空吸收池包括玻璃池腔体、玻璃到金属的转接管和金属法兰，其中所述玻璃池腔体具有八边形或者矩形中的一种形状。

17.权利要求13的方法，进一步包括：使用三维磁场线圈以产生具有沿对称轴的零磁场线的二维四极磁场；以及

在实验进行期间一直维持磁场存在，同时维持大于10μs的基态相干时间。

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