CN104036841B - 一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及原子的激光冷却与俘获，具体地涉及利用工作于基态‑中间激发态‑更高激发态级联能级的双色激光来实现原子的冷却与俘获，且无需原子预冷却，具体为一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法与装置。本发明所述装置公开了一种阶梯型的双色磁光阱技术，可从真空气室中直接冷却、俘获原子。这种阶梯型双色磁光阱装置，可用于碱金属、碱土金属、甚至里德堡原子的激光冷却与俘获；基于阶梯型的双色双光子冷却，可直接在冷原子中研究一些量子相干效应，如基于菱形能级的四波混频效应来研究双色磁光阱中直接产生关联光子对的问题；就实验装置本身，开创了一种非常灵活、也易实现的双色磁光阱实验构想，便于将其应用，推广。
Description
技术领域
本发明涉及原子的激光冷却与俘获，具体地涉及利用工作于基态-中间激发态-更高激发态级联能级的双色激光来实现原子的冷却与俘获，且无需原子预冷却，具体为一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法与装置。
背景技术
激光冷却与俘获原子，极大地增强了人们对原子的控制能力。冷原子样品已成为一个基础的实验平台，提供了一个极低温度的“环境”，已经在多个研究领域发挥着极其重要的作用，如从精确测量、冷原子光钟到玻色爱因斯坦凝聚、原子干涉仪及量子信息处理等。磁光阱技术已成为标准的冷却、俘获原子的工具之一，通过光场与原子动量交换达到冷却原子的目的。但其多普勒冷却的极限温度正比于原子的自然线宽。对于碱金属原子，多普勒冷却的极限温度大约为几百微开尔文。为了进一步将原子冷却，在上述传统磁光阱冷却的基础上，常采取亚多普勒冷却技术，如偏振梯度冷却、相干布局数俘获等技术。但上述冷却技术都是基于原子基态到激发态的跃迁实现的。对于基于基态-中间激发态-更高激发态的双色双光子冷却技术，主要集中在碱土金属原子上。因为，碱土金属较碱金属原子自然线宽较宽，采用传统磁光阱技术获得冷原子的多普勒冷却的极限温度约在毫开尔文量级，作为一级冷却。前述的一些适用于碱金属原子的亚多普勒冷却技术对于碱土金属不再适用，因为碱土金属基态能级非简并，且没有超精细能级结构。随后发展的基于双色双光子跃迁冷却，就其本质是将较宽的跃迁能级通过另一波长的激光耦合到一个较窄的跃迁线上，达到进一步降低冷原子温度的目的，作为碱土金属原子的二级冷却，典型的方法如猝灭冷却。由此可见，这种猝灭冷却技术是建立在一级多普勒冷却的基础上。2009年之后，人们发明了一种新的双色磁光阱冷却原子的技术，就是在传统磁光阱的基础上，用工作于激发态跃迁之间的一对激光束代替传统三维磁光阱中某一轴线上的一对冷却激光(工作于原子基态到激发态的跃迁线上)。这种双色磁光阱，典型的特点是：在双光子正负失谐处均可从真空气室中有效俘获原子，无需预先冷却原子。但其缺点是，只有在特殊的实验参数下，如只有在上能级冷却光足够强时，此双色磁光阱才能在双光子正失谐处俘获原子；另外，这种双色磁光阱也不能在双光子共振时俘获原子。
发明内容
本发明为了解决现有双色磁光阱技术【Phys.Rev.Lett.103,173003(2009)】俘获冷原子中，两不同波长的冷却光(设想在基于冷原子研究量子相干的一些应用中，两冷却光又同时作为两相干激光，达到一个简化实验装置的目的)因相互垂直，在冷原子中交叠的区域小，冷原子介质的光学厚度不能得到充分利用，从而影响到现有双色磁光阱在实际中应用的问题，以及现有双色磁光阱对一些实验参数要求比较苛刻的问题，如只有在上能级冷却光足够强时，现有双色磁光阱才能在双光子正失谐处俘获原子。
本发明所述一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法是采取如下方案实现的：一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法，采用两种不同波长的冷却激光束以及反抽运激光束；所述待冷却与俘获的原子为碱金属、碱土金属系列原子，所述两不同波长的冷却激光束分别对应于待冷却与俘获原子的不同跃迁线，且构成一个基态-中间激发态-更高激发态的阶梯型能级构型；对应于基态至中间激发态的冷却光作为第一冷却激光，其单光子频率失谐为Δ1，对应于中间激发态至更高激发态的冷却光作为第二冷却激光，其单光子频率失谐为Δ2，于是级联跃迁时双光子失谐δ2＝Δ1+Δ2；所述反抽运激光对应于基态至中间激发态的共振跃迁线；两种不同波长的冷却激光束在三维磁光阱的任一轴、或二轴、或三轴线上，采取对射重叠或小角度反平行交叠的布置方式，且六束光交汇于一处；所述小角度反平行交叠是指位于同一轴上的一对不同波长的冷却激光束之间的夹角为1°～2°；反抽运激光入射至三维磁光阱中六束光的交汇处；所述三维磁光阱中具有四级磁场梯度，其磁场梯度零点位于六束光的交汇处；所述待冷却与俘获的原子处于整个真空气室中，将被俘获在三维磁光阱中六束光的交汇处。
本发明与现有技术方法相比，在双色磁光阱光路布置方面，最大的改进在于：所述第一冷却激光和第二冷却激光在四极磁场梯度方向上(z轴)采取对射的方式，其余x，y轴方位均为第一冷却激光，或者第一冷却激光和第二冷却激光在x或y轴上对射，其余两轴均为对射的第一冷却激光；或者三个轴向中的任意两个轴向采用两束不同波长的冷却激光对射，其余轴线上均为对射的第一冷却激光；或者三个轴向都为两束不同波长的冷却激光对射。换句话说，在三维磁光阱的任一轴、或二轴、或三轴线上第一、第二冷却激光对射重叠或小角度反平行交叠，其余轴线上均为对射的第一冷却激光，六束冷却光交汇于一处的方式来冷却与俘获原子。
本发明实现了两不同波长的冷却光束采取对射方式的双色磁光阱，典型的特点是：不同波长的冷却光在冷原子介质(碱金属、碱土金属系列原子)中交叠的区域达到最大化，即充分利用了冷原子介质的光学厚度，便于在冷原子介质中直接研究一些量子相干效应及其应用；另外，在很大的实验参数(激光强度、频率失谐、磁场梯度、对射激光强度稍有不平衡等)范围内均可俘获原子，光路更加灵活，更趋近于实际应用，便于推广。
本发明所述一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置是采取如下技术方案实现的：一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置，包括激光频率控制单元以及阶梯型双色磁光阱光路布置单元；所述激光频率控制单元包括第一冷却激光单元、第二冷却激光单元以及反抽运激光单元；所述阶梯型双色磁光阱光路布置单元包括一对用于产生具有四极磁场梯度特性的反向亥姆霍兹线圈，以及位于三维磁光阱之中的待冷却与俘获的原子，其处于整个真空气室中；还包括双色磁光阱光路的布置，将第一、第二冷却激光单元出射的激光束在三维磁光阱的任一轴、或二轴、或三轴线上实现对射重叠或小角度反平行交叠，并交汇于一处，同时使反抽运激光单元出射的激光束穿过上述六束光的交汇处；所述待冷却与俘获的原子为碱金属、碱土金属系列原子，所述两个冷却激光单元出射的冷却激光束分别对应于待冷却与俘获原子的不同的跃迁线，且构成一个基态-中间激发态-更高激发态的阶梯型能级构型；第一冷却光与基态至中间激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ1，第二冷却激光与中间激发态至更高激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ2；对于级联跃迁时双光子失谐δ2＝Δ1+Δ2。
进一步的，本发明装置还包括冷原子荧光收集透镜组以及位于冷原子荧光收集透镜组汇聚光路上的探测单元。将阶梯型双色磁光阱中俘获的冷原子发出的荧光，通过一组冷原子荧光收集透镜组收集到CCD上荧光成像，最后经电脑软件如Origin分析数据；或者经光纤耦合进入单光子探测器探测，再经数据采集卡采集分析数据。
本发明采用的这种阶梯型双色磁光阱装置，可从负的双光子失谐到正的双光子失谐均可直接从真空气室中有效俘获原子(包括双光子共振位置)。而且，实验装置更加灵活，可根据实际的需要构建多种光路布置方式的双色磁光阱。特别在基于冷原子直接研究一些量子相干效应，可充分利用冷原子介质的光学厚度的优点。
本领域技术人员在阅读了本申请文件后，可熟知本发明所述的光路组合及其布置，进而实现用本装置冷却与俘获原子。
本发明与国内外已有的双色磁光阱技术相比，其设计实现方法及其装置具有如下优点：
(1)提供了一种更灵活的双色磁光阱光路布置方式；
(2)实际中更容易实现原子的冷却、俘获：从双光子负失谐到双光子正失谐均可有效地俘获原子，且可在一个较大的参数范围内冷却、俘获原子；
(3)双色冷却激光分别对应于一个阶梯型的三能级原子跃迁线，一些量子相干效应可直接在冷原子介质中研究；
(4)采取对射的不同波长的双色冷却激光布置方式，更能充分利用所俘获冷原子介质的光学厚度。
鉴于上述光路布置灵活，实验容易实现，又能充分利用冷原子介质光学厚度的优点，本发明易在实际中得以广泛应用及成果转化。
附图说明
图中实线为光连接，虚线为电连接。本文所采用的措辞、术语仅用于描述的目的，而不用于限制性的目的。除另有说明，本文所用的术语与本领域的通用术语含义一致。
图1——第二冷却激光器单元：1-795nm半导体激光器，2-795nm光学隔离器，3-795nm二分之一波片，4-第一立方偏振分光棱镜，5-第一反射镜，6-宽带电光调制器，7-第二反射镜，8-垃圾堆，9-第三反射镜，10-第一852nm/795nm双色镜，11-铯原子泡，12-第二852nm/795nm双色镜，13-795nm四分之一波片，14-第二立方偏振分光棱镜，15-第四反射镜，16-差分探测器，17-第一比例积分放大器，18-探测器。
第一冷却激光器单元：19-第一852nm半导体激光器，20-第一852nm光学隔离器，21-第一852nm二分之一波片，22-第三立方偏振分光棱镜，23-第一声光频移器，24-第二852nm二分之一波片，25-第四立方偏振分光棱镜，26-第二声光频移器，27-第五反射镜，28-第三声光频移器，29-偏振光谱锁频装置，30-第二比例积分放大器；反抽运激光器单元：31-第二852nm半导体激光器，32-第二852nm光学隔离器，33-第三852nm二分之一波片，34-第五立方偏振分光棱镜，35-第六反射镜，36-饱和吸收光谱锁频装置，37-第三比例积分放大器。
阶梯型双色磁光阱光路布置单元：38到42-852nm冷却光及偏振控制元件，43-795nm冷却光及偏振控制元件，44-磁光阱的反向亥姆霍兹线圈。
45-冷原子荧光收集透镜组，46-探测单元。
图2——本发明涉及到的铯原子能级系统。
图3——本发明阶梯型双色磁光阱俘获冷原子的典型结果(三维传统磁光阱六束852.3nm冷却光中之一被794.6nm冷却光取代)。
图4——现有双色磁光阱俘获冷原子的典型结果(三维传统磁光阱某一轴线上的一对852.3nm冷却光被一对794.6nm冷却光取代)。
具体实施方式
一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置包括激光频率控制单元以及阶梯型双色磁光阱光路布置单元；所述激光频率控制单元包括第一冷却激光单元、第二冷却激光单元以及反抽运激光单元；所述阶梯型双色磁光阱光路布置单元包括一对用于产生具有四极磁场梯度特性的反向亥姆霍兹线圈44，以及位于三维磁光阱之中的待冷却与俘获的原子，其处于整个真空气室中；还包括双色磁光阱光路的布置，将第一、第二冷却激光单元出射的激光束在三维磁光阱的任一轴、或二轴、或三轴线上实现对射重叠或小角度反平行交叠，并交汇于一处，同时使反抽运激光单元出射的激光束穿过上述六束光的交汇处；所述反向亥姆霍兹线圈44的磁场梯度零点位于六束光的交汇处；所述待冷却与俘获的原子为碱金属、碱土金属系列原子，所述两个冷却激光单元出射的冷却激光束分别对应于待冷却与俘获原子的不同的跃迁线，且构成一个基态-中间激发态-更高激发态的阶梯型能级构型；第一冷却光与基态至中间激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ1，第二冷却激光与中间激发态至更高激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ2；对于级联跃迁时双光子失谐δ2＝Δ1+Δ2。
还包括冷原子信号探测单元；所述冷原子信号探测单元包括冷原子荧光收集透镜组45以及位于冷原子荧光收集透镜组45汇聚光路上的探测单元46。
真空气室的真空度为～10-6Pa；所述第一冷却激光单元、第二冷却激光单元以及反抽运激光单元出射的激光波长分别为852nm、795nm和852nm；第一冷却激光与基态至中间激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ1＝～-5-～-20MHz，第二冷却激光与中间激发态至更高激发态的跃迁线之间存在频率失谐Δ2＝～-30-～+30MHz；所述四级磁场梯度值为～10Gauss/cm。
所述反抽运光采用对射方式穿过三维磁光阱中六束光的交汇处。
为了便于说明技术方案的实现，以下以铯原子为例(本发明中的这种技术，适用于碱金属、碱土金属系列原子)。从本发明阶梯型双色磁光阱装置三个单元逐一介绍如下：
(1)激光器频率控制单元(相关跃迁能级见图2)：
794.6nm冷却激光单元(作为第二冷却激光)：794.6nm的冷却激光可通过双光子光抽运光谱(或者激发态的偏振光谱)将其频率锁定到铯原子中间激发态6P3/2F’＝5和更高激发态8S1/2F”＝4的跃迁线上，其相对于该跃迁线的单光子频率失谐Δ2可通过声光频移器和电光频移器共同调节，调谐范围可达0-GHz量级，取决于所用电光调制的频率响应范围。本次实验中，Δ2＝～-30-～+30MHz。
852.3nm冷却激光单元(作为第一冷却激光)：852.3nm的冷却激光负失谐于铯原子基态6S1/2F＝4到中间激发态6P3/2F’＝5的冷却循环跃迁线，其单光子频率失谐Δ1＝～-5-～-20MHz可通过两个声光频移器方便调谐；同时，将该激光器通过偏振光谱技术锁到铯原子的跃迁线上。对于6S1/2F＝4-6P3/2F’＝5-8S1/2F”＝4的级联跃迁时双光子失谐δ2＝Δ1+Δ2。
852.3nm反抽运激光单元：852.3nm的反抽运激光通过饱和吸收光谱将其频率锁于基态6S1/2F＝3到中间激发态6P3/2F’＝4的跃迁线上，防止原子在冷却过程中被光泵浦到基态6S1/2F＝3，从而导致原子不能得到持续有效的冷却。
(2)阶梯型双色磁光阱光路布置单元(参见图1)：
852.3nm和794.6nm的冷却光在四极磁场梯度方向上(如z轴)采取对射的方式，其余x，y轴方位均为852.3nm的冷却光和反抽运光。事实上，794.6nm冷却光取代传统磁光阱中六束852.3nm冷却光中的任意一束，都属于本发明中所述的阶梯型双色磁光阱光路布置方式的范畴。反抽运激光单元出射的激光束穿过上述六束光的交汇处。另外，磁光阱的四极磁场梯度由一对反向亥姆霍兹线圈提供，典型值为～10Gauss/cm。真空气室的背景真空度约为～10-6Pa。
(3)探测单元：
将阶梯型双色磁光阱中俘获的冷原子发出的荧光，通过一组透镜组收集到CCD上荧光成像，最后经电脑软件如Origin分析数据；或者经光纤耦合进入单光子探测器探测，再经数据采集卡采集分析数据。
图3为利用本发明装置俘获冷原子的一个典型的结果，可以看出从双光子负失谐到双光子正失谐均可有效地冷却、俘获原子(包括双光子共振位置)。在双光子负失谐处俘获原子的机理，可等效为一个二能级的多普勒冷却图像去解释；在双光子共振及正双光子失谐处俘获原子，是由于原子被制备到一个相干叠加的暗态，这个暗态是由两冷却光与阶梯型能级结构的原子相互作用诱导产生的。相关的实验参数：852.3nm冷却光功率～1.8mW，单光子失谐Δ1～-10MHz；794.6nm冷却光功率～21mW(实验上在～1---～21mW的范围内，在正、负双光子失谐δ2处均可有效俘获原子)，控制其失谐使得双光子失谐δ2～-40---+40MHz的范围内变化；852.3nm反抽运光功率～2.0mW，其频率共振于原子6S1/2F＝3-6P3/2F’＝4跃迁线；四极磁场梯度～10Gauss/cm，真空气室的背景真空度约为～10-6Pa。在相同的实验参数下，若采用现有双色磁光阱的光路布置方式(三维传统磁光阱某一轴线上的一对852.3nm冷却光被一对794.6nm冷却光取代)，该双色磁光阱只能在正、负双光子失谐δ2处俘获原子，典型的实验结果见图4。而且，在双光子正失谐处俘获原子，要求794.6nm冷却光功率足够强(实验值：>～13mW)，而在本发明中，不存在这一条件的限制。
具体光路的布置方式如图1所示。
795nm冷却激光单元：在795nm半导体激光器1出射激光的方向上依次设置795nm的光学隔离器2，795nm二分之一波片3和第一立方偏振分光棱镜4，透射过第一立方偏振棱镜4的激光将作为冷却光被反射镜输送到磁光阱光路43上冷却/俘获原子；经第一立方偏振棱镜4反射的激光将用于获得6P3/2F’＝5-8S1/2F”＝4跃迁的激发态光谱，依次经过第一反射镜5，宽带电光调制器6、第二反射镜7、第三反射镜9、第一852nm/795nm双色镜10、铯原子泡11、第二852nm/795nm双色镜12、四分之一波片13、第二立方偏振分光棱镜14和第四反射镜15后到达差分探测器16获得激发态6P3/2F’＝5-8S1/2F”＝4跃迁时的偏振光谱信号；之后经BNC线到达比例积分放大器17用于对795nm半导体激光器1的频率锁定。
852nm冷却激光单元:在第一852nm半导体激光器19出射激光的方向上依次设置第一852nm的光学隔离器20，第一852nm二分之一波片21和第三立方偏振棱镜22；经第三立方偏振分光棱镜22反射的激光再用过第一声光频移器23后，经第二852nm/795nm双色镜12反射进入铯原子泡11与794.6nm激光重叠(为获得激发态的偏振光谱)，之后经第一852nm/795nm双色镜10反射到探测器18可获得双光子光抽运光谱，也可用于对794.6nm激光频率的锁定；经第三立方偏振棱镜22透射的激光，经过第二852nm二分之一波片24和第四立方偏振分光棱镜25后分为两部分，一部分激光经过第一声光频移器26后作为852nm冷却光，再经反射镜输送到磁光阱光路38-42用于原子的冷却/俘获；另一部分激光依次经过第五反射镜27、第三声光频移器28、偏振光谱锁频装置29后获得6S1/2F＝4-6P3/2F’＝4,5交叉跃迁线的光谱信号，再经BNC导线到达第二比例积分放大器30后用于第一852nm半导体激光器19的频率锁定。
852nm反抽运激光单元：在第二852nm半导体激光器31出射激光的方向上依次设置第二852nm的光学隔离器32，第三852nm二分之一波片33和第五立方偏振分光棱镜34；透射过第五立方偏振分光棱镜34的激光作为反抽运光，再经反射镜到达磁光阱六束冷却光交汇区域中心，采取反抽运光束对射的方式；经第五立方偏振分光棱镜34反射的激光，依次经过第六反射镜35，饱和吸收光谱锁频装置36获得6S1/2F＝3-6P3/2F’＝4跃迁的光谱信号，经锁相放大器得鉴频信号，之后经BNC导线到达第三比例积分放大器37用于对第二852nm反抽运激光器31频率的锁定。
阶梯型双色磁光阱光路布置及冷原子探测：要求852.3nm和794.6nm双色冷却光在传统的三维磁光阱的任意一轴，或二轴，或三轴线上，采取对射的方式即可(稍微有一定夹角也可以)，具体根据实际应用情况灵活布置光路。本发明图1中仅举例提供了一种光路布置方式，采用在四极磁场梯度z轴方向上，852.3nm冷却光42和794.6nm冷却光43对射的方式；至于反抽运激光束，只要交汇于六束冷却激光中心即可，考虑到其对原子辐射压力的平衡性，常采用对射的方式。磁光阱的四极磁场梯度，由一对反向亥姆霍兹线圈44提供，约～10Gauss/cm。真空气室的背景真空度约10-6Pa。所俘获的冷原子荧光经透镜组45收集到达探测单元46，探测单元可以是CCD将冷原子云荧光成像，再经计算机软件如Origin分析的数据，或者经光纤耦合进入单光子探测器探测，然后通过数据采集卡得相关数据。
采用本发明所述阶梯型双色磁光阱装置冷却俘获原子时，包括如下步骤：
1)852.3nm冷却光的控制：通过偏振光谱，将其频率锁于铯原子6S1/2F＝4-6P3/2F’＝4,5的交叉跃迁线上，然后通过两个声光频移器将其频率控制到6S1/2F＝4-6P3/2F’＝5跃迁线单光子负失谐Δ1＝-10MHz(约为6P3/2态自然线宽的1-2倍左右)。
2)794.6nm冷却光的控制:分出一部分852nm冷却光来泵浦原子从基态6S1/2F＝4到中间激发态6P3/2，扫描794.6nm激光通过6P3/2F’＝5-8S1/2F”＝4的跃迁线上，这时852nm激光作为探测光，就可获得激发态6P3/2F’＝5-8S1/2F”＝4跃迁的谱线，进一步将794.6nm冷却光的频率锁定到该跃迁线上。这种获得激发态光谱的方法，常称之为“双共振光抽运光谱”，要求852.3nm和794.6nm两激光束在一个铯原子泡中重叠。精确控制794.6nm冷却光频率相对于6P3/2F’＝5-8S1/2F”＝4跃迁线的单光子失谐Δ2，可通过单光子失谐下的双拱振光抽运光谱控制(Δ1+Δ2＝0)，即通过控制852.3nm激光的频率失谐Δ1达到对Δ2的控制；或通过一个电光调制器让794.6nm激光产生的±1级边带，再结合激发态的偏振光谱达到对794.6nm冷却光频移及偏频锁定的目的。
3)852.3nm反抽运光的控制：通过饱和吸收光谱或偏振光谱，将其频率锁于铯原子6S1/2F＝3-6P3/2F’＝4的跃迁线上，确保冷却过程的持续进行。
4)光路布置：要求852.3nm和794.6nm两冷却光在传统的三维磁光阱的任意一轴，或二轴，或三轴线上，采取对射的方式即可(稍微有一定夹角也可以)，具体根据实际应用情况灵活布置光路。至于反抽运激光束，只要交汇于六束冷却激光中心即可，考虑到其对原子辐射压力的平衡性，常采用对射的方式。磁光阱的四极磁场梯度，由一对反向亥姆霍兹线圈提供，约～10Gauss/cm。真空气室的真空度约～10-6Pa。
5)阶梯型双色磁光阱的实现过程：在完成上述(1)-(4)步之后，首先实现852.3nm的单色传统磁光阱；然后将794.6nm的冷却光频率调到双光子共振位置(δ2＝0)，调节794.6nm的冷却光的方向以及适当加大其光强，努力将852.3nm的单色传统磁光阱中俘获的原子推出阱外，达到对794.6nm的冷却光方向精确调节的目的。最后将磁光阱的光路切换成(4)要求的光路布置方式，调节794.6nm的冷却光的频率偏离双光子共振位置，容易实现双色磁光阱俘获原子的目的。
6)阶梯型双色磁光阱冷原子的探测：将冷原子发出的荧光，通过一组透镜组收集到CCD上荧光成像，经电脑软件如Origin分析得相关数据；或者经光纤耦合进入单光子探测器探测，然后通过数据采集卡得相关数据。
7)以上是以铯原子为例说明，对于其它原子的阶梯型双色磁光阱上述方法同样适用。
Claims (7)
1.一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法，采用两种不同波长的冷却激光以及反抽运激光；待冷却与俘获的原子为碱金属、碱土金属系列原子，两不同波长的冷却激光束分别对应于待冷却与俘获原子的不同跃迁线，且构成一个基态-中间激发态-更高激发态的阶梯型能级构型；所述反抽运激光对应于基态至中间激发态的共振跃迁线；其特征在于，两种不同波长的冷却激光束在三维磁光阱的任一轴、或二轴、或三轴线上，采取对射重叠或小角度反平行交叠的布置方式，且六束光交汇于一处；所述小角度反平行交叠是指位于同一轴上的一对不同波长的冷却激光束之间的夹角为1°～2°；所述反抽运激光入射至三维磁光阱中六束光的交汇处；所述三维磁光阱中具有四级磁场梯度，其磁场梯度零点位于六束光的交汇处；所述待冷却与俘获的原子处于整个真空气室中，最终将俘获于三维磁光阱中六束光的交汇处；对应于基态至中间激发态的冷却光作为第一冷却激光，其单光子频率失谐为Δ1，对应于中间激发态至更高激发态的冷却光作为第二冷却激光，其单光子频率失谐为Δ2，级联跃迁时双光子失谐便为δ2＝Δ1+Δ2。
2.如权利要求1所述的一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法，其特征在于，所述待冷却与俘获的原子为铯原子；第一冷却激光波长为852nm，与基态6S1/2F＝4至中间激发态6P3/2F'＝5的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ1＝～-5-～-20MHz；第二冷却激光波长为795nm，与中间激发态6P3/2F'＝5至更高激发态8S1/2F"＝4的跃迁线之间存在频率失谐Δ2＝～-30-+30MHz；反抽运激光波长为852nm，共振于铯原子6S1/2F＝3-6P3/2F'＝4的跃迁线；所述四级磁场梯度值为～10Gauss/cm。
3.如权利要求1或2所述的一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱方法，其特征在于，所述反抽运激光束采用对射方式穿过三维磁光阱中六束光的交汇处。
4.一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置，用于实现如权利要求1所述的方法，包括激光频率控制单元以及阶梯型双色磁光阱光路布置单元；所述激光频率控制单元包括第一冷却激光单元、第二冷却激光单元以及反抽运激光单元；其特征在于，所述阶梯型双色磁光阱光路布置单元包括一对用于产生具有四级磁场梯度特性的反向亥姆霍兹线圈(44)，以及位于三维磁光阱之中的待冷却与俘获的原子，其处于整个真空气室中；还包括双色磁光阱光路的布置，将第一、第二冷却激光单元出射的激光束在三维磁光阱的任一轴、或二轴、或三轴线上实现对射重叠或小角度反平行交叠，并交汇于一处，同时使反抽运激光单元出射的激光束穿过上述六束光的交汇处；所述反向亥姆霍兹线圈(44)的磁场梯度零点位于六束光的交汇处；所述待冷却与俘获的原子为碱金属、碱土金属系列原子，所述两个冷却激光单元出射的冷却激光束分别对应于待冷却与俘获原子的不同的跃迁线，且构成一个基态-中间激发态-更高激发态的阶梯型能级构型；第一冷却光与基态至中间激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ1，第二冷却激光与中间激发态至更高激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ2；对于级联跃迁时双光子失谐δ2＝Δ1+Δ2。
5.如权利要求4所述的一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置，其特征在于，还包括冷原子信号探测单元；所述冷原子信号探测单元包括冷原子荧光收集透镜组(45)以及位于冷原子荧光收集透镜组(45)汇聚光路上的探测单元(46)。
6.如权利要求4或5所述的一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置，其特征在于，真空气室的真空度为～10-6Pa；所述第一冷却激光单元、第二冷却激光单元以及反抽运激光单元出射的激光波长分别为852nm、795nm和852nm；第一冷却激光与基态至中间激发态的跃迁线之间存在单光子频率失谐Δ1＝～-5-～-20MHz，第二冷却激光与中间激发态至更高激发态的跃迁线之间存在频率失谐Δ2＝～-30-～+30MHz；所述四级磁场梯度值为～10Gauss/cm。
7.如权利要求4或5所述的一种激光冷却与俘获原子的双色磁光阱装置，其特征在于，所述反抽运光采用对射方式穿过三维磁光阱中六束光的交汇处。
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