CN103985427B - 用于87Rb冷原子的双脉冲驻波相干分束系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于87Rb冷原子干涉实验的双脉冲驻波相干分束系统，该系统由第一λ/2波片、偏振分束棱镜、透镜、第二λ/2波片、λ/4波片、第一反射镜、第一调整架、第二调整架、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜构成。本发明利用双脉冲驻波脉冲对87Rb冷原子团进行分束，并由一组光学镜片调节双脉冲驻波位置，具有结构简单、激光功率要求低、调节方便、相干分束效率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光冷却原子，特别是一种用于87Rb冷原子的双脉冲驻波相干分束系统。
背景技术
近十年来，随着激光冷却技术的不断发展，人们已经可以获得温度很低，密度很高的冷原子样品。由于冷原子的能量极低，其德布罗意波长比较长，于是将表现出类似光的波粒二象性，如冷原子束的偏转、聚焦、反射、干涉以及非线性光学现象和量子光学现象。其中冷原子的相干分束及干涉效应已经成为一个非常有意义并且有着广泛应用前景的研究课题。原子干涉仪在灵敏度上比光学干涉仪高约1011量级。目前，冷原子相干分束主要有四种方法：
(1)利用磁阱对冷原子团进行分束，如文献1：Y.Shin,C.Sanner,G.-B.Jo,T.A.Pasquini,M.Saba,W.Ketterle,D.E.Pritchard,M.Vengalattore,and M.Prentiss.Interference of Bose-Einstein condensates split with an atom chip.Phys.Rev.A 72,021604(R)(2006)中所记载的。
(2)利用光学双势阱对冷原子团进行分束，如文献2：Y.Shin,M.Saba,T.Pasquini,W.Ketterle,D.E.Pritchard,and A.E.Leanhardt.Atom interferometry with Bose-Einstein condensates in a double-well potential.Phys.Rev.Lett.92,050405(2004)中所记载的。
(3)利用物理光栅对冷原子团进行分束，如文献3：David W.Keith,Christopher R.Ekstrom,Quentin A.Turchette,and David E.Pritchard.An interferometer for atoms.Phys.Rev.Lett.66,2693(1991)中所记载的。
(4)利用射频缀饰阱对冷原子团进行分束，如文献4：T.Schumm,S.Hofferberth,L.M.Anderson,S.Wildermuth,S.Groth,I.Bar-Joeseph,J.Schmiedmayer,and P.Kroger.Matter-wave interferometry in a double well on a atom chip.Nature Physics 1,57(2005)中所记载的。
第一种相干分束方法需要对磁场的精密控制，不易于操作；第二种方法没有办法保证相位的可重复性；第三种方法需要精密的纳米工艺，光栅制作难度大；用第四种方法对冷原子团分束后，冷原子团无法获得一定方向的动量。利用远失谐双脉 冲驻波对冷原子团进行相干分束是一个好的选择。理论上双脉冲驻波作用下，原子能够以100％的效率从p＝0零动量态转移到动量态，然后各自向相反方向运动。双脉冲驻波相干分束类似于使用光栅分束，是一种简单灵活的方法，分束光只需要几毫瓦功率就可以实现相干分束，原子的相位相干时间最高可达百毫秒，而且分束完成后原子团动量大于10mm/s，这对以后冷原子干涉的研究意义重大。
发明内容
本发明的目的在于解决冷原子相干分束系统复杂，分束效率低的问题，提出一种用于87Rb冷原子的双脉冲驻波相干分束系统，该系统具有结构简单、调节方便和相干分束效率高等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于87Rb冷原子的双脉冲驻波相干分束系统，其特点在于该系统包括：第一λ/2波片、偏振分束棱镜、透镜、第二λ/2波片、λ/4波片、第一反射镜、第一调整架、第二调整架、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，沿分束光方向依次是所述的第一λ/2波片、偏振分束棱镜、透镜、第二λ/2波片、λ/4波片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所述的第一λ/2波片、偏振分束棱镜、透镜、第二λ/2波片、λ/4波片和第一反射镜沿X方向放置，第一反射镜固定在第一调整架上并与X方向光路水平地成45°，第二反射镜与第一反射镜沿Y方向放置，第二反射镜固定在第二调整架上，第二调整架与Y方向和Z方向均成45°；第三反射镜和第二反射镜沿Z方向放置，第三反射镜在第二反射镜正上方与Z方向、X方向均成45°；第四反射镜和第三反射镜沿X方向放置，第四反射镜与X方向垂直，分束光在第三反射镜和第四反射镜之间反射形成双脉冲驻波。
所述的波片镀增透膜，中心波长为780nm。
所述的双脉冲驻波由两束完全相同的脉冲组成，其脉冲宽度都为23μs，双脉冲之间时间间隔为33μs。
所述的双脉冲驻波的频率与87Rb原子D2线跃迁频率有6～8GHz的失谐。
所述的扩束准直系统由第一λ/2波片、偏振分束棱镜和透镜组成。
所述双脉冲驻波的功率、脉冲宽度和时间间隔都由labview编程软件实现。我们在计算机上用labview编程，通过一个NI-672332路模拟输出卡来同步和控制整个系统时序。所述双脉冲驻波的频率由激光器锁频模块实现。
本发明的技术效果：
本发明利用远失谐驻波光束形成的双脉冲驻波对87Rb冷原子团进行相干分束， 由一组反射镜调节分束光位置，简化了光路，易于调节。用双脉冲驻波对87Rb冷原子团进行分束，分束光功率只需2～5mW，降低了总输入光功率，且原子的相位相干时间可达100ms，分束完成后87Rb冷原子团动量大于10mm/s，提高了相干分束效率。
本发明具有结构简单、功耗低、易于操作、相干分束效率高的特点，在冷原子相干分束实验中，它可以提高实验的重复性及灵活性，这对以后研究冷原子干涉研究意义重大。
附图说明
图1是本发明双脉冲驻波相干分束系统的立体框图
图2是本发明双脉冲驻波相干分束系统的平面光路图
图3是本发明双脉冲驻波相干分束系统分束光对准过程平面光路图
图中：01-分束光，02-第一λ/2波片，03-偏振分束棱镜，04-透镜，05-第二λ/2波片，06-λ/4波片，07-第一反射镜，08-第一一维调整架，09-第二一维调整架，10-第二反射镜，11-第三反射镜，12-87Rb冷原子团，13-双脉冲驻波，14-第四反射镜，15-三维坐标系，16-挡板，17-监视摄像头。
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变化范围。
先请参阅图1和图2，图1是本发明双脉冲驻波相干分束系统的立体图，图2是本发明双脉冲驻波相干分束系统的平面光路图。本发明双脉冲驻波相干分束系统，包括扩束准直系统02,03,04、4个反射镜07,10,11,13、第二λ/2波片05、λ/4波片06、一维调整架08,09以及由分束光01形成的双脉冲驻波13。
所述分束光01依次通过扩束准直系统02，03，04、第二λ/2波片05、λ/4波片06、第一反射镜07、第二反射镜10、第三反射镜11和第四反射镜14。如三维坐标系15所示，所述扩束准直系统02，03，04、第二λ/2波片05、λ/4波片06和第一反射镜07沿X方向放置，第一反射镜07固定在第一调整架08上，第一维调整架08调节X方向；第二反射镜10与第一反射镜07沿Y方向放置，第二反射镜10固定在第二一维调整架09上，第二调整架09调节Y方向；第三反射镜11和第二反射镜10沿Z方向放置，第三反射镜11在第二反射镜10正上方位置；第四反射镜14和第三反射镜11沿X方向放置，分束光01在第三反射镜11和第四反射镜14 之间反射形成双脉冲驻波13。
所述的第一反射镜07、第二反射镜10和第三反射镜11为45度反射镜，反射面均与分束光01呈45度反射角，第四反射镜14为0度反射镜，反射面与分束光01垂直。
所述的扩束准直系统由第一λ/2波片02、偏振分束棱镜03和透镜04组成。
所述的所有波片镀增透膜，中心波长为780nm。
所述的双脉冲驻波13由两束完全相同的脉冲组成，其脉冲宽度都为23μs，双脉冲之间时间间隔为33μs。
所述的双脉冲驻波13频率与87Rb原子D2线跃迁频率有6～8GHz的失谐。
所述双脉冲驻波13的功率、脉冲宽度和时间间隔都由labview编程软件实现。我们在计算机上用labview编程，通过一个NI-672332路模拟输出卡来同步和控制整个系统时序。所述双脉冲驻波的频率由激光器锁频模块实现。
所述分束光01位置主要由第一反射镜07，第二反射镜10，第三反射镜11，第四反射镜14调节。具体调节方式为：如三维坐标系15所示，第一反射镜07放置在第一调整架08上，方向为X方向，通过调整第一调整架08，第一反射镜07在X方向平移，从而使双脉冲驻波13在Z方向平移，即调节双脉冲驻波13上下位置。第二反射镜10放置在第二一维调整架09上，方向为Y方向，通过调整第二一维调整架09，第二反射镜10在Y方向平移，从而使双脉冲驻波13在Y方向平移，即调节双脉冲驻波13左右位置。第三反射镜11调节双脉冲驻波13水平方向，使双脉冲驻波13与XY平面平行。第四反射镜14与分束光01垂直，用来反射使形成双脉冲驻波13，对87Rb冷原子团12进行分束。所述第一反射镜07，第二反射镜10，第三反射镜11，第四反射镜14镜架均为二维调整架，用来调整镜面与光束角度，得到所需要的光束方向。
参阅图3，图3为双脉冲驻波相干分束系统分束光对准过程平面光路图，分束光对准过程为：分束开始前，假设87Rb冷原子团12初始速度为0，在第四反射镜14前面放置一块挡板16，挡住反射回去的分束光01，此时将分束光01的频率调至与 87Rb原子D2线跃迁频率共振，并打开监视摄像头17，当监视摄像头17拍摄不到87Rb冷原子团12时，表示87Rb冷原子团12被推走，即分束光01已对准87Rb冷原子团12。在对准过程中，分束光01的功率为5～7mW，对准过程中总保持5％的87Rb冷原子团12在初始位置，来更好地确定以及优化分束位置。
分束光01对准87Rb冷原子团12后，将挡板16移开，分束光01经第四反射镜14反射形成双脉冲驻波13，通过激光器锁频模块调节双脉冲驻波13的频率，使双
脉冲驻波13的频率与87Rb原子D2线跃迁频率有6.8GHz的失谐。假设分束开始时，时间T＝0，87Rb原子处于|p＝0>；通过labview控制时序，打开第一束驻波脉冲，其脉冲宽度为23μs，T＝23μs时，87Rb原子处于|p＝0>和的叠加态；当T＝56μs时，通过labview控制时序，打开第二束驻波脉冲，其脉冲宽度为23μs，当T＝79μs时，87Rb原子处于此时87Rb冷原子团12分裂为两团冷原子波包，并各自向相反方向运动，即分束完成。分束后的两团87Rb冷原子波包具有良好的相干性，可产生清晰的干涉条纹。
Claims (4)
1.一种用于87Rb冷原子的双脉冲驻波相干分束系统，其特征在于该系统包括：第一λ/2波片(02)、偏振分束棱镜(03)、透镜(04)、第二λ/2波片(05)、λ/4波片(06)、第一反射镜(07)、第一调整架(08)、第二调整架(09)、第二反射镜(10)、第三反射镜(11)和第四反射镜(14)，沿分束光(01)方向依次是所述的第一λ/2波片(02)、偏振分束棱镜(03)、透镜(04)、第二λ/2波片(05)、λ/4波片(06)、第一反射镜(07)、第二反射镜(10)、第三反射镜(11)和第四反射镜(14)，所述的第一λ/2波片(02)、偏振分束棱镜(03)、透镜(04)、第二λ/2波片(05)、λ/4波片(06)和第一反射镜(07)沿X方向放置，第一反射镜(07)固定在第一调整架(08)上并与X方向光路水平地成45°，第二反射镜(10)与第一反射镜(07)沿Y方向放置，第二反射镜(10)固定在第二调整架(09)上，第二调整架(09)与Y方向和Z方向均成45°；第三反射镜(11)和第二反射镜(10)沿Z方向放置，第三反射镜(11)在第二反射镜(10)正上方与Z方向、X方向均成45°；第四反射镜(14)和第三反射镜(11)沿X方向放置，第四反射镜(14)与X方向垂直，分束光(01)在第三反射镜(11)和第四反射镜(14)之间反射形成双脉冲驻波(13)。
2.根据权利要求1所述的双脉冲驻波相干分束系统，其特征在于所述的波片镀增透膜，中心波长为780nm。
3.根据权利要求1所述的双脉冲驻波相干分束系统，其特征在于所述的双脉冲驻波(13)由两束完全相同的脉冲组成，其脉冲宽度都为23μs，双脉冲之间时间间隔为33μs。
4.根据权利要求1所述的双脉冲驻波相干分束系统，其特征在于所述的双脉冲驻波(13)的频率与87Rb原子D2线跃迁频率有6～8GHz的失谐。
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