CN103310866A - 一种用镀膜探针实现纳米尺度原子囚禁的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用镀膜光纤探针尖端近场效应来实现中性冷原子在纳米尺度上囚禁的方法，涉及中性冷原子激光囚禁领域。本发明基于镀膜光纤探针尖端的近场效应和等离子效应，通过激光器、斩波器、起偏器、聚焦透镜、光纤、光纤耦合器、化学刻蚀、离子束刻蚀、磁控溅射镀膜、磁光阱光学粘胶、原子探测器，以及计算机系统实现。激光通过耦合进入镀膜光纤探针的底端，在镀膜光纤探针尖端激发出近场表面等离子局域光场，对装载进入的中性冷原子在纳米尺度上实现有效的囚禁。本发明可实现不同种类的中性冷原子在纳米尺度上的囚禁，原理简单，操作方便，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及中性冷原子激光囚禁领域，特指一种用镀膜探针实现中性冷原子在纳米尺度上囚禁的方法，适用于任何类型中性冷原子的光学囚禁。
背景技术
近30年来，中性冷原子的激光囚禁、导引与操控的理论、实验及其技术得到了飞速发展，取得了一系列重大进展和丰硕成果，使得激光科学、量子光学和冷原子物理学等学科发生了历史性变革。虽然原子光学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囚禁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。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囚禁是目前微纳光学和原子物理领域的一大研究热点。
同时，纳米尺度原子囚禁技术是微纳光学、原子光学、量子光学和量子信息科学等学科发展过程中急需解决的关键技术问题，也是量子固态系统微型化和集成化的必由之路。为了探索和发展纳米尺度的原子囚禁与操控，目前国际上多个科研小组进行了多种尝试，已经提出几种方案来设计和研究纳米尺度的原子囚禁。其基本思路可分为两种：一种是基于全反射的介质表面消逝波光场，另一种思路是基于特征尺度小于波长的金属导体结构产生的突破衍射极限的表面等离子激元。随着人们对表面等离子激元的深入研究，其表现出的在纳米尺度上独特物理性质和有望获得突破衍射极限光阱的巨大潜力使其成为目前微纳光学与原子光学领域研究热点之一。镀膜光纤探针尖端的近场分布是一种局域增强的表面等离子效应，它具有将电磁场能量局域在纳米尺度空间范围的特性。本发明的思路是利用镀膜光纤探针尖端的近场表面等离子局域光场来实现纳米尺度上的原子囚禁。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现中性冷原子在纳米尺度上的囚禁方法。本发明利用在镀膜光纤探针尖端激发出的近场表面等离子局域光场来实现对中性冷原子在纳米尺度上的有效囚禁。镀膜光纤探针的近场表面等离子局域光场具有将电磁场能量局域在突破衍射极限的几十纳米空间范围的特性，它可以使原子囚禁的特征长度达到几十纳米。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在纳米尺度上的囚禁与定位，可应用于微纳光学、原子光学、量子光学和量子信息科学等研究。
本发明所采用的技术方案是利用镀膜光纤探针尖端的近场效应和等离子效应来实现纳米尺度上的原子囚禁。激光通过耦合进入镀膜光纤探针的底端，在探针尖端激发出近场表面等离子局域光场，对装载进入的中性冷原子在纳米尺度上实现有效的囚禁。
本发明方法的具体步骤是：
（1）将镀膜光纤探针装置水平安装放置到激光光路系统中；
（2）调节激光光路系统，通过光纤耦合器使光场耦合进入镀膜光纤探针的底端，在探针尖端激发出近场表面等离子局域光场；
（3）利用多普勒激光冷却和偏振梯度冷却方法实现中性原子的磁光阱光学粘胶；
（4）把磁光阱光学粘胶中的冷原子装载到探针尖端的近场表面等离子局域光场中，在纳米尺度上实现对原子的有效囚禁。
对上述形成的纳米尺度上的原子囚禁，可利用原子探测器的近共振原子吸收成像技术测量其中的原子情况。
本发明中所述镀膜光纤探针通过下述方法制得：利用化学刻蚀法把光纤的一端制作成锥型，利用离子束刻蚀法把锥型尖端制作成一个与光纤横截面平行的平面。再利用化学刻蚀法在锥型尖端平面中心处制作成一个圆锥状突出物，该圆锥状突出物为部分光纤纤芯，再利用磁控溅法在圆锥状突出物表面镀上一层贵金属薄膜（如选用银），再利用离子束刻蚀法把镀膜圆锥状突出物尖端处制作成与光纤横截面平行的平面，其半径为几十纳米（如80纳米），制作完成镀膜光纤探针。
本发明中光路系统由激光器、斩波器、起偏器、聚焦透镜、光纤等组成；激光器发出的激光束先经过斩波器和起偏器，再由聚焦透镜聚焦，耦合进入光纤，通过光纤耦合器把激光耦合进入镀膜光纤探针的底端。
步骤（3）中利用四极磁阱和光学粘胶相结合的方法实现中性原子的多普勒激光冷却和偏振梯度冷却，形成磁光阱光学粘胶，此时原子温度约为20微开。
步骤（4）中的冷原子装载是通过调节磁光阱光学粘胶的位置，利用近场局域光场吸引势的作用使原子装载进入。
该方法将镀膜光纤探针的近场表面等离子技术和原子囚禁技术相结合，能够获得突破衍射极限的在纳米尺度上的原子囚禁。该方法可实现在镀膜光纤探针尖端100纳米以内、囚禁范围为几十纳米的原子囚禁，这样可以把原子的相干性和固态装置的微型化完美地结合起来，可用于纳米尺度上的原子囚禁与定位，可产生单原子囚禁、单原子光源及单光子与固体装置的耦合。
附图说明
图1镀膜探针纳米尺度原子囚禁装置示意图。
图2光源系统示意图。
图中：1.光源系统，2.光纤耦合器，3.镀膜光纤探针，4.磁光阱光学粘胶，5.原子探测器，6.激光器，7.斩波器，8.起偏器，9.聚焦透镜，10.光纤。
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）模拟研究，确定图1中能实现镀膜光纤探针纳米尺度原子囚禁装置的参数。
（2）利用化学刻蚀法把光纤的一端制作成锥型，利用离子束刻蚀法把锥型尖端制作成一个与光纤横截面平行的平面，再利用化学刻蚀法在锥型尖端平面中心处制作成一个小的圆锥状突出物，利用磁控溅法在圆锥状突出物表面镀上一层贵金属（如选用银）薄膜，再利用离子束刻蚀法在镀膜圆锥状突出物尖端处制作成与光纤横截面平行的平面，加工出图1中的镀膜光纤探针3。
（3）将图1中光源系统1和镀膜光纤探针3安装到位，并用光纤耦合器2将光源系统1的光纤10和镀膜光纤探针3的底端耦合到位。
（4）图1中光源系统1由图2中的激光器6、斩波器7、起偏器8、聚焦透镜9、光纤10组成。调节光源系统1，输出连续激光，相对铷87原子D2线跃迁为红失谐。图2中的激光器6发出的激光经斩波器7和起偏器8，再通过聚焦透镜9耦合进入光纤10传播，光纤10传播的光场再通过光纤耦合器2耦合进入镀膜光纤探针3的底端，在镀膜光纤探针3的尖端激发出近场表面等离子局域光场。
（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（六束）相向传输的左、右旋圆偏振光的光学粘胶光束彼此互相垂直并相交于磁阱中心，构成一个磁光阱(MOT)，在多普勒冷却机制和偏振梯度冷却机制的作用下，形成了磁光阱铷87冷原子的磁光阱光学粘胶4，原子温度约20微开。
（6）调节磁光阱光学粘胶的位置使之与镀膜光纤探针尖端的近场表面等离子局域光场重合，使原子在光场吸引势的作用下实现从磁光阱光学粘胶到镀膜光纤探针尖端近场局域光场的装载，从而实现在纳米尺度上的原子囚禁。
（7）对上述形成的纳米尺度的原子囚禁，可利用近共振原子吸收成像技术，即原子探测器5来测量原子情况。
Claims (6)
1.一种用镀膜探针实现纳米尺度原子囚禁的方法，其特征在于在镀膜光纤探针的尖端激发出近场表面等离子局域光场，对装载进入的中性冷原子在纳米尺度上实现有效的囚禁。
2.根据权利要求1所述的用镀膜探针实现原子纳米尺度囚禁的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将镀膜光纤探针装置安装放置到激光光路系统中；
（2）调节激光光路系统，激光通过光纤耦合器进入镀膜光纤探针的底端，在探针尖端激发出近场表面等离子局域光场；
（3）利用多普勒激光冷却和偏振梯度冷却方法实现中性原子的磁光阱光学粘胶；
（4）把磁光阱光学粘胶中的冷原子装载到镀膜光纤探针尖端的近场表面等离子局域光场中，在纳米尺度上实现对原子的有效囚禁。
3. 根据权利要求2所述的用镀膜探针实现纳米尺度原子囚禁的方法，其特征在于所述镀膜光纤探针通过下述方法制得：
（1）利用化学刻蚀法把光纤的一端制作成锥型；
（2）利用离子束刻蚀法把锥型尖端制作成一个平面，该平面与光纤横截面平行，包含纤芯和部分包层；
（3）再利用化学刻蚀法在锥型尖端平面中心处制作成一个圆锥状突出物，该圆锥状突出物为部分光纤纤芯；
（4）利用磁控溅射法在圆锥状突出物表面镀上一层贵金属薄膜；
（5）再利用离子束刻蚀法把镀膜圆锥状突出物尖端制作成平面，此时该平面与光纤横截面平行，其半径为几十纳米，这样镀膜光纤探针制作完成。
4.根据权利要求2所述的用镀膜探针实现纳米尺度原子囚禁的方法，其特征在于激光光路系统由激光器、斩波器、起偏器、聚焦透镜、光纤组成，激光器为连续激光。
5.根据权利要求2所述的用镀膜探针实现纳米尺度原子囚禁的方法，其特征在于磁光阱光学粘胶通过下述方法制得：利用四极磁阱和光学粘胶相结合的方法实现中性原子的多普勒激光冷却和偏振梯度冷却，形成磁光阱冷原子光学粘胶，此时原子温度约为20 微开。
6.根据权利要求2所述的用镀膜探针实现纳米尺度原子囚禁的方法，其特征在于纳米尺度原子囚禁的装载是通过调节磁光阱光学粘胶的位置使之与镀膜光纤探针尖端的近场表面等离子局域光场重合，使原子在光场吸引势的作用下实现从磁光阱光学粘胶到镀膜光纤探针尖端近场局域光场的装载，从而实现在纳米尺度上的原子囚禁。
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