CN104144554B - 一种可调频调幅的连续型冷原子束制备装置 - Google Patents

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一种可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其采用三对冷却激光束与真空腔内的原子共振并冷却，再加一对以原子束出射方向为轴线的反亥姆霍兹线圈对原子产生向中心的捕获力；三对激光束由三个依次装有1/2波片、PBS、1/4波片和透镜的扩束器产生平行激光束，及相应经1/4波片和反射镜反射得到的同入射光同频、相反偏振态反射光束组成；在其中一对激光束中耦合一路再泵浦光提高原子利用率；在沿原子束出射方向的1/4波片和反射镜中心小孔形成不平衡光压将原子漏出，得到连续冷原子束；通过改变原子束出射方向上对应激光束的偏振态，改变激光束与原子的相互作用力，实现原子束速度和通量连续可调，即实现了对原子束的调频调幅。

Description

一种可调频调幅的连续型冷原子束制备装置
技术领域
本发明属于量子物理领域冷原子束制备装置，特别涉及一种可调频调幅的连续型冷原子束制备装置。
背景技术
冷原子束是利用激光冷却效应产生的速度小、速度分布窄、发散角小的原子束，具有良好的相干性、光谱分辨率、灵敏度等特性。在超高分辨率光谱、量子频标、原子反射、原子衍射、原子干涉、玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）实验、原子光刻、原子钟等领域得到了广泛的应用。
目前，连续型冷原子束的制备系统有两种：
1.3D-MOT，如文献：Z.T.Lu,K.L.Corwin,M.J.Renn,Phys.Rev.Lett.,1996,77:3331-3334所记载；
2.2D+-MOT，如文献：Simone Gotz,Bastian Holtkemeier,Christoph S,ReviewofScientific Instruments,2012,83,073112所记载；
两种系统的区别在于：3D-MOT的磁场是由一对反亥姆霍兹线圈产生的，在三维方向上均存在磁场梯度；2D+-MOT的磁场由两对方形线圈产生，在沿原子束出射方向上磁场为0，即在该方向上原子仅受到激光束的散射力。在实验中，3D-MOT得到的原子束的通量通常在109量级，2D+-MOT得到的原子束通量可以达到1010量级，且2D+-MOT得到的原子束的发散角比3D-MOT更小。
通常情况下，经MOT得到的原子束的速度和通量是不可调的，即采用的系统方案、激光束光强和失谐量、磁场梯度等参数确定后，原子束的速度和通量是一定的。在文献K.Dieckmann,R.J.C.Spreeuw,M.Weidemuller,Phys.Rev.A.,1998,58:3891-3895所述的冷原子束制备系统结合了2D+-MOT和3D-MOT两种结构，即同时加有反亥姆霍兹线圈和方形线圈，采用不同的MOT方式得到的原子束的速度和通量不同；在文献Sung Jong Park,JihoNoh,Jongchul Mun,Optics Communications,2012,285:3950-3954所述的冷原子束制备系统采用了2D+-MOT，其推射光在采用了冷却所用的红失谐光外，还耦合了一束蓝失谐的光，仅红失谐的光作用时得到的冷原子束的最可几速度为20m/s，当蓝失谐光也同时作用时，对原子束纵向加速，通过调节该束光的失谐量和光强，出射的冷原子束的速度可从25m/s变化至45m/s。
上述两种装置虽可实现原子束速度和通量的变化，但系统较复杂，操作也较繁琐，且得到的速度和通量值的变化也不是连续的，因此，一种简单的速度和通量可调的装置在冷原子束的应用中具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于：在制备连续型冷原子束的3D-MOT系统的基础上，提供一种可调频调幅的连续型冷原子束制备装置；简单操作即可实现原子束速度、通量在一定范围内连续可调，即实现了对连续冷原子束的调频调幅，提高冷原子束应用的灵活性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其由三个呈三维布置的扩束器及相应1/4波片和反射镜组成的三对冷却激光束、一束再泵浦激光和一对位于真空腔腔壁两端的反亥姆霍兹线圈构成；
所述的三个呈三维布置的扩束器为置于Y轴上的第一扩束器28、置于X轴上的第二扩束器29和置于Z轴上的第三扩束器5；所述第一扩束器28由依次装成一体的第一1/2波片31、第一偏振分光棱镜37、第一1/4波片33和第一平凸透镜38组成；所述第二扩束器29由依次装成一体的第二1/2波片32、第二偏振分光棱镜40、第二1/4波片34和第二平凸透镜39组成；所述第三扩束器5由依次装成一体的第三1/2波片2、第三偏振分光棱镜3、第三1/4波片4和第三平凸透镜6组成；
对原子产生冷却效应的激光束由图2所示的光路产生，第一激光器12输出的激光经过一台激光功率放大器13放大后，利用第四偏振分光棱镜14分束为第一光束2'和第二光束3'；所述第一光束2'经过第一透镜18聚焦后，经第一声光调制器15移频，再通过第一光纤耦合头16进入一分二光纤19分为两路光：该两路光为第一横向冷却光30和第二横向冷却光17；所述第一横向冷却光30和第二横向冷却光17分别接入第一扩束器28和第二扩束器29；第二光束3'经过第二透镜22聚焦后，经第二声光调制器23移频，通过第二光纤耦合头24产生一路光束，该路光束作为纵向冷却光1接入第三扩束器5；
所述的一束再泵浦激光由第二激光器20产生；第二激光器20输出的激光经第三光纤耦合头26产生再泵浦激光束27，该再泵浦激光束27接入第一扩束器28上的再泵浦光光纤耦合头11并与第一横向冷却光30耦合；
装于真空腔腔壁两端的一对反亥姆霍兹线圈10中心位于z轴上，其通入的电流大小相等、方向相反；该对反亥姆霍兹线圈10用于产生所需磁场梯度的磁场；
所述的纵向冷却光1、第一横向冷却光30、第二横向冷却光17和一束再泵浦激光束27、一对反亥姆霍兹线圈10构成磁光阱，在真空腔内形成原子团7，原子经过第三扩束器5所对应的1/4波片8和反射镜9中心处的1mm小孔出射连续型冷原子束1'；通过改变沿原子束出射方向的纵向冷却光1及其反射光的偏振态，从而改变连续冷原子束1'速度和通量，得到可调频调幅的连续冷原子束。
沿原子束出射方向上存在磁场梯度，该梯度由所述的一对反亥姆霍兹线圈10产生。通过改变原子束出射方向上第一扩束器5激光束的偏振态，实现对连续原子束调频调幅。将第三扩束器5内的第三1/4波片4经一电机35和一信号发生器36相连接，通过设定该信号发生器输出信号的频率和幅值控制电机的振荡频率和幅度，实现对输出的连续冷原子束的频率幅度的调制。
具体操作步骤如下：
1.在第三扩束器5内依次安装第三1/2波片2、偏振分光棱镜（PBS）3、第三1/4波片4和平凸透镜6，连接纵向冷却光1调节输出激光束为平行、均匀分布高斯光束；同理安装第一扩束器28和第二扩束器29；
2、将第三扩束器5沿原子束出射方向（沿z轴）固定在真空腔外，并使其中心轴同z轴重合，中心有1mm小孔的1/4波片8和反射镜9用于反射第一扩束器5的输出光束，其中心均位于z轴上，镜面垂直于z轴；同理，放置第二扩束器29及其相应1/4波片40和反射镜39在x轴上；放置第一扩束器28及其相应1/4波片37和反射镜38在y轴上；一对反亥姆霍兹线圈10装在真空腔腔壁两端，其中心位于z轴，所处平面垂直于z轴；
3、将真空腔抽真空至10-7Pa以下；
4、加热铷源成为铷蒸汽进入真空腔；
5、将第一激光器12锁定在87Rb的|F=2>→|F'=2×3>共振频率上，设置第一声光调制器15和第二声光调制器23移频频率为103MHZ；第二激光器20锁定在87Rb的|F=1>→|F'=2>共振频率上；
6、将反亥姆霍兹线圈10通以大小相等、方向相反的电流，使MOT中的磁场梯度约为10G/cm；
7、旋转第三扩束器5内的第三1/2波片2，使经第三PBS3反射的光最弱，同理，旋转第一扩束器28内的第一1/2波片31和第二扩束器29内的第二1/2波片32；
8、旋转第三扩束器5内的第三1/4波片4，使经1/4波片8和反射镜9反射后的光束经第三PBS3反射的光最弱，此时纵向冷却光为δ+光，同理，旋转第一扩束器（28）的第一1/4波片33和第二扩束器29内的第二1/4波片34，使两对横向冷却光也为δ+光；
9、通过改变与原子束出射方向同向的纵向冷却光1的偏振态，从而对原子束进行调频调幅；
本发明的有益效果是：
本发明的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，在常用的连续冷原子束制备的3D-MOT系统上，通过简单的操作实现了原子束速度、通量在一定范围内连续可调，即实现了对连续冷原子束的调频调幅，使得冷原子束在原子干涉仪、原子钟等领域的应用中能根据需要调整原子束的性能，方便了对冷原子束的应用。
附图说明
图1为本发明的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置的结构示意图；
图2为用于本发明的连续型冷原子束制备的光路图。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例进一步详细描述本发明。
实施例1：
参考图1和2，本发明的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其由三个呈三维布置的扩束器及相应1/4波片和反射镜组成的三对冷却激光束、一束再泵浦激光和一对位于真空腔腔壁两端的反亥姆霍兹线圈构成；
所述的三个呈三维布置的扩束器为置于Y轴上的第一扩束器28、置于X轴上的第二扩束器29和置于Z轴上的第三扩束器5；所述第一扩束器28由依次装成一体的第一1/2波片31、第一偏振分光棱镜37、第一1/4波片33和第一平凸透镜38组成；所述第二扩束器29由依次装成一体的第二1/2波片32、第二偏振分光棱镜40、第二1/4波片34和第二平凸透镜39组成；所述第三扩束器5由依次装成一体的第三1/2波片2、第三偏振分光棱镜3、第三1/4波片4和平凸透镜6组成；
第一激光器12输出的激光经过一台激光功率放大器13放大后，利用第四偏振分光棱镜14分束为第一光束2'和第二光束3'；所述第一光束2'经过第一透镜18聚焦后，经第一声光调制器15移频，再通过第一光纤耦合头16进入一分二光纤19分为两路光：该两路光为第一横向冷却光30和第二横向冷却光17；所述第一横向冷却光（30）和第二横向冷却光17分别接入第一扩束器28和第二扩束器29；第二光束3'经过第二透镜22聚焦后，经第二声光调制器23移频，通过第二光纤耦合头24产生一路光束，该路光束作为纵向冷却光1接入第三扩束器5；
所述的一束再泵浦激光由第二激光器20产生；第二激光器20输出的激光经第三光纤耦合头26产生再泵浦激光束27，该再泵浦激光束27接入第一扩束器28上的再泵浦光光纤耦合头11并与第一横向冷却光30耦合；
装于真空腔腔壁两端的一对反亥姆霍兹线圈10中心位于z轴上，其通入的电流大小相等、方向相反；该对反亥姆霍兹线圈10用于产生所需磁场梯度的磁场；
所述的纵向冷却光1、第一横向冷却光30、第二横向冷却光17和一束再泵浦激光束27、一对反亥姆霍兹线圈10构成磁光阱，在真空腔内形成原子团7，原子经过第三扩束器5所对应的1/4波片8和反射镜9中心处的1mm小孔出射形成连续型冷原子束1'。
冷原子束制备所需的光路系统包括：由第二激光器12的输出激光经输出功率达1.5W的功率放大器13后，经偏振分光棱镜（PBS）14分束为用于横向冷却的第一光束2'和用于纵向冷却的第二光束3'；所述第一光束2'经第一透镜18聚焦后，通过声光调制器15移频至冷却所需激光频率，经光纤耦合头16耦合后经一分二光纤19产生光功率相等的第一束横向冷却光17和第二横向冷却光30；所述纵向冷却光束3'经第二透镜22聚焦后，通过声光调制器23移频至冷却所需激光频率；纵向冷却光束3'通过单模保偏光纤1作为纵向冷却光；依据所需冷原子束的速度确定该路光的失谐量、功率；激光器20输出的光作为再泵浦激光将基态处于1态的原子泵浦到2态，提高原子的利用率，提高原子团的捕获率及原子束的通量。
冷原子束的制备系统基于LVIS模型，实验装置如图1所示，依次装有1/2波片、偏振分光棱镜PBS、1/4波片、平凸透镜的扩束器5、扩束器28、扩束器29，分别放置在z轴、y轴、x轴上，经光纤1,30,17输出3束冷却光（其圆偏振方向为σ+），经对应的1/4波片和反射镜形成的三束反射光（其圆偏振方向为σ-），其中在原子束出射方向上的1/4波片和反射镜中心带有1mm的小孔，由于在该方向上辐射压力不平衡形成原子束；反亥姆霍兹线圈10中心位于z轴，所在平面垂直于z轴，用于产生所需磁阱，放置于真空腔外。
在此系统的基础上，得到的冷原子束的技术指标如下：其纵向最可几速度为10m/s，纵向速度分布宽度为4m/s，横向速度不大于10cm/s，原子束通量可达108atoms/s量级。以此为中心在±π/4的范围内旋转推射光扩束器5内的1/4波片4，此时推射光及其对应反射光的偏振态为椭圆偏振态，可分解为σ+和σ-，旋转该1/4波片4至可得到所需原子束速度的位置，在任意位置得到的原子束的速度稳定性可达±0.1m/s，以出射光为σ+的位置作为中心顺时针和逆时针旋转得到的结果是对称相等的，得到的冷原子束的速度可调范围为：10～20m/s，通量的可调范围为：108～109atoms/s。
实施例2：
在实施例1的基础上，将第三扩束器5内的1/4波片4经一电机35和信号发生器36相连接，依据出射原子束频率调制的需要，设定信号发生器36的输出频率和幅值，驱动电机35带动1/4波片4以特定频率和幅度转动，出射的原子束速度和通量以某特定频率和幅值连续变化，实现对连续冷原子束的频率幅度的调制。

Claims (4)

1.一种可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其由三个呈三维布置的扩束器及相应1/4波片和反射镜组成的三对冷却激光束、一束再泵浦激光和一对位于真空腔腔壁两端的反亥姆霍兹线圈构成；
所述的三个呈三维布置的扩束器为置于Y轴上的第一扩束器(28)、置于X轴上的第二扩束器(29)和置于Z轴上的第三扩束器(5)；所述第一扩束器(28)由依次装成一体的第一1/2波片(31)、第一偏振分光棱镜(37)、第一1/4波片(33)和第一平凸透镜(38)组成；所述第二扩束器(29)由依次装成一体的第二1/2波片(32)、第二偏振分光棱镜(40)、第二1/4波片(34)和第二平凸透镜(39)组成；所述第三扩束器(5)由依次装成一体的第三1/2波片(2)、第三偏振分光棱镜(3)、第三1/4波片(4)和平凸透镜(6)组成；
第一激光器(12)输出的激光经过一台激光功率放大器(13)放大后，利用第四偏振分光棱镜(14)分束为第一光束(2')和第二光束(3')；所述第一光束(2')经过第一透镜(18)聚焦后，经第一声光调制器(15)移频，再通过第一光纤耦合头(16)进入一分二光纤(19)分为两路光：该两路光为第一横向冷却光(30)和第二横向冷却光(17)；所述第一横向冷却光(30)和第二横向冷却光(17)分别接入第一扩束器(28)和第二扩束器(29)；第二光束(3')经过第二透镜(22)聚焦后，经第二声光调制器(23)移频，通过第二光纤耦合头(24)产生一路光束，该路光束作为纵向冷却光(1)接入第三扩束器(5)；
所述的一束再泵浦激光由第二激光器(20)产生；第二激光器(20)输出的激光经第三光纤耦合头(26)产生再泵浦激光束(27)，该再泵浦激光束(27)接入第一扩束器(28)上的再泵浦光光纤耦合头(11)并与第一横向冷却光(30)耦合；
装于真空腔腔壁两端的一对反亥姆霍兹线圈(10)中心位于z轴上，其通入的电流大小相等、方向相反；该对反亥姆霍兹线圈(10)用于产生所需磁场梯度的磁场；
所述的纵向冷却光(1)、第一横向冷却光(30)、第二横向冷却光(17)和一束再泵浦激光束(27)、一对反亥姆霍兹线圈(10)构成磁光阱，在真空腔内形成原子团(7)，原子经过第三扩束器(5)所对应的1/4波片(8)和反射镜(9)中心处的1mm小孔出射形成连续型冷原子束(1')；通过改变沿原子束出射方向的纵向冷却光(1)的偏振态，使之成为椭圆偏振态，从而改变连续冷原子束(1')的速度和通量，得到可调频调幅的连续冷原子束。
2.按权利要求1所述的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其特征在于，沿原子束出射方向上存在磁场梯度，该梯度由所述的一对反亥姆霍兹线圈(10)产生。
3.按权利要求1所述的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其特征在于，通过改变原子束出射方向上第一扩束器(5)激光束的偏振态，实现对连续原子束调频调幅。
4.按权利要求3所述的可调频调幅的连续型冷原子束制备装置，其特征在于，将第三扩束器(5)内的第三1/4波片(4)经一电机和一信号发生器相连接，通过设定该信号发生器输出信号的频率和幅值控制电机的振荡频率和幅度，实现对输出的连续冷原子束的频率幅度的调制。
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