CN103050166B - 一种实现纳米尺度横截面的中性冷原子激光导引的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米尺度横截面的中性冷原子激光导引的方法，涉及中性冷原子激光导引领域。本发明基于金属结构表面等离激元技术，通过激光系统、分束镜、金属劈尖、反射镜、玻色-爱因斯坦凝聚体、阻塞光束、原子探测器、斩波器、聚焦镜、光纤，以及计算机系统来实现。用激光照射两相对斜朝上靠近平行水平放置金属劈尖的侧面激发表面等离激元，表面等离激元的局域增强电磁场在空间叠加，它具有突破衍射极限空间尺寸的特性，从而实现对导入的中性冷原子在纳米尺度横截面光场上的导引。本发明适用于不同中性冷原子的纳米尺度的激光导引，原理简单,操作方便，应用范围广泛。

Description

一种实现纳米尺度横截面的中性冷原子激光导引的方法
技术领域
本发明涉及中性冷原子导引领域，特指一种在纳米尺度横截面的中性冷原子激光导引方法，适用于任何类型中性冷原子的导引。
背景技术
自从1975年Hansch等人提出激光冷却原子的概念以来，激光冷却、囚禁与操控中性原子的理论与实验研究取得了一系列重大的进展，使得激光科学、量子光学和冷原子、分子物理学等发生了重大的变革，开创了一个全新的研究领域。原子的激光导引、囚禁与操控依赖于光场对中性原子的作用，实际上是利用光场的梯度对原子所产生的偶极力。在没有外场作用时，中性原子是电中性的，并且内部电子分布是球对称的，因而中性原子没有永久电偶极矩。但是，当一个二能级原子在非均匀激光场中运动时，原子将被感应出一个电偶极矩，并且原子将受到激光感应的电偶极力作用，从而原子因受到激光场的偶极相互作用而改变原子的运动状态。这一原子电偶极矩的激光感应现象通常称之为交流Stark效应。当光场与原子共振为红失谐时，相互作用势为吸引势，原子被吸引到光强最强的地方；而光场为蓝失谐时，相互作用势为排斥势，原子被推向光强最弱的地方。因此，利用红失谐（或蓝失谐）激光场与中性原子间的偶极相互作用，即可实现冷原子的激光导引、囚禁与操控。
Ol’shanii等人在1993年首先提出了利用中空光纤中红失谐高斯模式激光场来导引中性原子的思想，Cornell小组首先实验实现了中性原子的中空光纤红失谐激光导引。Pruvost等人在1999年利用红失谐的Nd：YAG高斯激光束（波长为1.064μm）实现了87Rb冷原子的激光导引。2004年，Balykin等人提出了一种用直径相当于波长量级的中空光纤实现原子囚禁与导引的方案，同年他们又提出了一种用双色消逝波激光场的中空光纤实现原子囚禁与导引的方案。2005年，中科院武汉数学物理研究所也实验实现了85Rb原子在暗空心光束中的水平导引。虽然原子的激光导引的研究已取得了巨大的成就，但受光的衍射极限的影响，传统的聚焦光斑大小或者传播光束直径一般只能限制在半波长量级的线度范围，从而至今为止实现的冷原子光学导引的光场横截面的尺度一般在微米量级，因此这将对原子光学的基础研究和技术特征带来一些不足，如原子棱镜像差、原子物质波的低衍射效率、原子物质波干涉条纹的对比度极限限制等等。与此同时，随着微细加工技术和集成光学的不断发展，光学元器件的不断小型化已经接近了光的衍射极限，这将会导致在纳尺度的原子光学囚禁与操控遭遇到瓶颈。因此，如何获得突破衍射极限的各种纳尺度原子的激光导引技术是目前原子物理领域和微纳光学的一大研究热点。表面等离激元是基于电磁场和金属纳米结构中传导电子相互作用引起的一种近场光学增强效应，它具有将电磁场能量局域在突破衍射极限的纳米尺度空间范围的特性。本发明的思路是利用特征尺度小于波长的金属导体结构产生突破衍射极限的表面等离激元来产生纳米尺度横截面光场，从而实现中性冷原子导引。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用纳米尺度横截面光场实现中性冷原子激光导引的方法。利用电磁场和金属劈尖中传导电子相互作用产生表面等离激元，它具有将电磁场能量局域在突破衍射极限的空间范围的特性，同时它是一种近场光学增强效应，它可以实现中性冷原子在纳米尺度横截面光场上的导引。这种方法原理简单,操作方便，可重复性好,能实现各种中性冷原子的纳米尺度导引，应用范围非常广泛。
本发明提出的基于表面等离激元技术实现纳米尺度横截面光场中性冷原子激光导引的方法，是经过激光在两金属劈尖侧面激发形成表面等离激元，表面等离激元在空间叠加形成纳米特征尺寸的横截面光场，从而对导入的中性冷原子束形成在纳米尺度横截面光场上的中性冷原子的激光导引。
本发明方法的具体步骤是：
（1）将横截面是三角形的第一金属劈尖和第二金属劈尖，安装放置到激光光路系统中；
（2）调节激光光路，使其辐射两个金属劈尖，激发表面等离激元，产生纳米尺度横截面光场；
（3）利用中性原子的磁光阱激光冷却、偏振梯度冷却和射频蒸发冷却方法实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚体；
（4）利用两束阻塞光束使玻色-爱因斯坦凝聚体中的中性冷原子形成一般横截面的冷原子束；
（5）进行一般横截面的冷原子束向纳米尺度横截面光场的装载，进行纳米尺度横截面光场的冷原子激光导引；
(6)原子探测器利用近共振原子吸收成像技术测量原子的数目、密度和原子束的横截面尺寸。
本发明中所述金属劈尖是金属银劈尖，通过下述方法制得：利用飞秒激光加工系统加工出两个横截面是三角形的块状硅劈尖样品，采用磁控溅射镀膜方法对硅劈尖样品镀上一层银膜，形成两金属银劈尖。
本发明中光路系统由光源系统、分束镜、反射镜组成；光源系统发出的激光束经过分束镜后被分成两束，其中一束入射到第一金属劈尖的侧面，另一束经反射镜入射到第二金属劈尖的侧面。
光源系统由中激光器、斩波器、聚焦镜、光纤组成，激光器为连续激光，工作波长为780nm。
步骤（3）中先利用磁光阱方法实现中性原子的多普勒激光冷却，原子冷却到120微开，再经过偏振梯度冷却和射频蒸发冷却方法实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚体7，此时原子温度为170纳开。
步骤（5）中一般横截面的超冷原子束9由两束阻塞光束8实现。
所述的两束阻塞光束（8）由垂面反射镜（15）和强度调节器(16)组成；两束阻塞光束用蓝失谐连续激光实现，光强用强度调节器调节。
该方法将表面等离激元技术和原子囚禁与导引技术相结合，能够获得突破衍射极限的纳尺度的弱场搜寻态的原子囚禁与导引，这为在光频段来增强单个量子系统和光场之间的相干耦合提供了新的物理机制。该方法可实现在金属结构表面100纳米以内的原子囚禁与导引，这样可以把原子的突出相干性与可操控性和固态装置的微型化、集成化完美地结合起来，可用于进一步微型化集成原子光学及其量子原子芯片的研制。
附图说明
本发明具体实施的结构框图及附图说明如下：
图1纳米尺度横截面光场中性冷原子导引装置示意图。
图2光源系统示意图。
图3阻塞光束示意图。
图4两金属劈尖处原子所受势能等势线横截面图。
图中，1.光源系统2.分束镜3.第一金属劈尖4.纳米尺度冷原子导引5.反射镜6.第二金属劈尖7.玻色-爱因斯坦凝聚体8.阻塞光束9.一般横截面冷原子束10.原子探测器11.激光器12.斩波器13.聚焦镜14.光纤15.垂面反射镜16.强度调节器。
具体实施方式
以中性铷87原子为例，但不限于此。
实施例1
（1）采用时域有限差分方法（FDTD）模拟出图1中能实现纳米尺度横截面光场中性冷原子导引的金属劈尖的形状，并用CORELDRAW软件进行设计画图。
（2）利用飞秒激光加工系统按照所设计的方案加工出两个横截面是三角形的长块状硅劈尖样品，再采用磁控溅射镀膜技术对硅劈尖样品镀上一层银膜，从而加工出图1中第一金属银劈尖3和第二金属银劈尖6。
（3）利用支架将图1中两个金属银劈尖装置的劈尖部分朝上平行水平放置，两个金属银劈尖装置的三角形状横截面的高与竖直线的呈45度角，并使劈尖靠近、底部张开放置，两劈尖之间平行距离在500纳米左右，并安装固定到位。
（4）图1中光源系统1由图2中的激光器11、斩波器12、聚焦镜13、光纤14组成。调节光源系统，输出工作波长为780nm的连续激光，相对铷87原子为蓝失谐。图1中光源系统1发出的激光束经过分束镜2后被分成两束，其中一束入射到第一金属劈尖3的侧面，另一束经反射镜5入射到第二金属劈尖6的侧面，用于在两个金属银劈尖的附近同时激发出近场局域增强的表面等离激元，两表面等离激元在空间叠加从而产生纳米尺度横截面光场，用于纳米尺度横截面的冷原子导引4。
（5）利用一对通以反向电流的反亥姆霍兹线圈产生一四极磁阱，三对相向传播的光学粘胶光束彼此互相垂直并相交于磁阱中心构成一个高真空室中的磁光阱(MOT)，实现中性铷87原子的磁光阱激光冷却，冷却温度约120微开。将这些冷原子装载到超高真空(10-11 Torr)玻璃池的第二个MOT中，经过偏振梯度冷却、光抽运、磁压缩和射频蒸发冷却技术形成铷87原子的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）7，温度约170纳开。
（6）图1中的阻塞光束8由图3中的垂面反射镜15和强度调节器16组成。在图1中原子玻色-爱因斯坦凝聚体7上加上阻塞光束8，调节强度，形成一般横截面的超冷原子束9。
（7）形成的一般横截面的超冷原子束9对准用于纳米尺度冷原子导引4的纳米尺度横截面光场，实现一般横截面的中性冷原子束向纳米尺度横截面光场的装载，进行纳米尺度横截面光场的冷原子的激光导引。如考虑导引的中性冷原子和纳米尺度横截面光场的相互作用，原子所受到的在横截面上的势能等势线曲线如图4所示。很明显，在两金属劈尖中间偏上处形成垂直劈尖方向的纳米尺度横截面的原子囚禁，沿劈尖方向形成原子导引。
(8)利用近共振原子吸收成像技术，即原子探测器10来测量原子的数目、密度和原子束的横截面尺寸。

Claims (7)

1.一种纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于经过激光在两金属劈尖侧面激发形成表面等离激元，表面等离激元在空间叠加形成纳米特征尺寸的横截面光场，从而对导入的中性冷原子束形成在纳米尺度横截面光场上的中性冷原子的激光导引；包括以下步骤：
(1)将横截面是三角形的第一金属劈尖和第二金属劈尖，安装放置到激光光路系统中；
(2)调节激光光路，使其辐射两个金属劈尖，激发表面等离激元，产生纳米尺度横截面光场；
(3)利用中性原子的磁光阱激光冷却、偏振梯度冷却和射频蒸发冷却方法实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚体；
(4)利用两束阻塞光束使玻色-爱因斯坦凝聚体中的中性冷原子形成一般横截面的冷原子束；
(5)进行一般横截面的冷原子束向纳米尺度横截面光场的装载，进行纳米尺度横截面光场的冷原子激光导引；
(6)原子探测器利用近共振原子吸收成像技术测量原子的数目、密度和原子束的横截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于所述金属劈尖是金属银劈尖，通过下述方法制得：利用飞秒激光加工系统加工出两个横截面是三角形的块状硅劈尖样品，采用磁控溅射镀膜方法对硅劈尖样品镀上一层银膜，形成两金属银劈尖。
3.根据权利要求1所述的纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于光路系统由光源系统(1)、分束镜(2)、反射镜(5)组成；光源系统发出的激光束经过分束镜后被分成两束，其中一束入射到第一金属劈尖的侧面，另一束经反射镜入射到第二金属劈尖的侧面。
4.根据权利要求3所述的纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于光源系统(1)由中激光器(11)、斩波器(12)、聚焦镜(13)、光纤(14)组成，激光器为连续激光，工作波长为780nm。
5.根据权利要求1所述的纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于先利用磁光阱方法实现中性原子的多普勒激光冷却，原子冷却到120微开，再经过偏振梯度冷却和射频蒸发冷却方法实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚体7，此时原子温度为170纳开。
6.根据权利要求1所述的纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于步骤(5)中一般横截面的超冷原子束9由两束阻塞光束8实现。
7.根据权利要求6所述的纳米尺度横截面中性冷原子激光导引的方法，其特征在于所述的两束阻塞光束(8)由垂面反射镜(15)和强度调节器(16)组成；两束阻塞光束用蓝失谐连续激光实现，光强用强度调节器调节。
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