CN106409375B - 原子束流装置 - Google Patents

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Abstract

一种原子束流装置，包括十面体真空玻璃腔体、光学系统、真空玻璃腔体内置的四根钕铁硼磁铁和一块长条形光栅。本发明采用四根方形磁铁柱置于真空玻璃腔体内，相比于传统的磁铁外置的方式，这种方式更加稳定，而且不需要外在的固定及空间位置调节装置，另外相比于传统的利用一对或两对反亥姆霍兹线圈的方式，这种方式更加简单，无需电源供电，磁场更加稳定；采用了长条形光栅，这种方式有别于传统四束光对射的方式，只需要单束圆偏振光垂直入射到长条形光栅表面，就可形成二维磁光阱。

Description

原子束流装置
技术领域
本发明涉及原子束流，特别是一种原子束流装置。
背景技术
随着激光冷却原子技术的发展，超冷原子已经逐渐在量子频标、原子干涉仪和量子信息处理等方面有了广泛的应用。对于超冷原子的产生装置，双腔冷原子系统越来越常用，采用二维磁光阱为三维磁光阱提供原子束流的方式。这种方式可以解决磁阱寿命和装载效率的矛盾。一个腔体做二维磁光阱，另一个做三维磁光阱，中间用一个差分管连接两个真空腔，并保持这两个腔体有一到两个数量级的真空差。便于二维磁光阱获得足够大的原子束流(1×109-1×1012个/秒)，同时可提高三维磁光阱的装载速度和冷原子制备速率。同时高真空腔室的超高真空足够完成蒸发冷却和后续试验。
传统上利用二维磁光阱产生原子束的实验装置往往比较复杂，这其中包括光路和磁场线圈结构，这在一定程度上不利于冷原子系统的小型化和实用化，因此有必要研制小型化的冷原子束产生装置。
目前，二维磁光阱的实现主要采用四束光对射的方式，如文献1：Schoser J,A,R,et al.Physical Review A,2002,66(2):207-212)中记载的。二维磁光阱的磁场也是由两对反亥姆霍兹线圈提供的，如文献2：Dieckmann K,Spreeuw R J,Weidemüller M,et al.Physical Review A,1998,58(5):3891-3895)中记载的。或者由外置的四根永磁铁产生，如文献3：Salim E A,Denatale J,Farkas D M,et al.Quantum InformationProcessing,2011,10(6):975-994:)中记载的。
因此，为了简化整个原子束产生装置，需要从光路和磁场上简化，需要使整个系统更加稳定，从而实现为三维磁光阱提供高通量原子束流。
发明内容
本发明的目的是为了改进传统的原子束产生装置的体积大、功耗高、不稳定等问题，提供一种简单的利用长条形光栅产生原子束的装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种原子束流装置，包括光学系统，其特点在于还有真空玻璃腔体和长条形光栅，所述的玻璃腔体是一个准长方腔体，四条水平棱具有水平平面，由右面、左面、后面、前面、顶面、底面、底前棱面、底后棱面、顶后棱面、顶前棱面组成，该玻璃腔体的右面与左面平行，后面与前面平行，顶面与底面平行，右面与后面垂直，底前棱面与顶后棱面平行，底后棱面与顶前棱面平行，底前棱面与顶前棱面垂直，面底前棱面均与前面、底面成夹角45°，第一钕铁硼磁铁、第二钕铁硼磁铁、第三钕铁硼磁铁和第四钕铁硼磁铁依次用真空环氧树脂胶粘在所述的玻璃腔体内的底前棱面、底后棱面、顶后棱面和顶前棱面上；右面中心有一个小孔，用于保证与高真空腔的真空差，同时输出原子束流到高真空腔中；玻璃腔体有一个光孔，用于热原子源的输入；所述的长条形光栅用真空环氧树脂胶粘在顶面上靠右；
所述的光路系统包括第一台激光器和第二激光器，沿第一台激光器输出的冷却光方向依次是第一1/2波片和偏振分束棱镜，沿第二激光器输出的再抽运光方向依次是第二1/2波片和偏振分束棱镜，在偏振分束棱镜内所述的冷却光的反射光与所述的再抽运光的透射光重合为光束，该光束依次经过第一反射镜、凹型柱面镜、凸型柱面镜、第二反射镜和四分之一波片输出右旋圆偏振光，该右旋圆偏振光垂直于玻璃腔体的底面入射到玻璃腔体内，并垂直入射到所述的长条形光栅上。
本发明的技术效果：
本发明采用准长方体的真空玻璃腔体，并将长条形光栅粘在真空玻璃腔体的一个水平面内，将四根钕铁硼磁铁也粘在真空玻璃腔体的四个水平棱面上。与现有技术相比，这种内置钕铁硼磁铁的方式更加简单，不需要外接电源供电，也无需外在的固定及空间位置调节装置；采用长条形光栅粘在真空玻璃腔体内的方式，与传统的四束光对射的方式相比，整个装置只需要单束圆偏振光输入并垂直入射到长条形光栅上即可产生±1级衍射光与入射光形成的三束光结构，再配合四根钕铁硼形成的磁场就可以形成二维磁光阱，就可以产生高通量的原子束。该装置比传统装置体积更小，功耗更低，更加稳定。
附图说明
图1是本发明原子束流装置的示意图
图2是本发明原子束流装置的真空玻璃腔体仰视图
图3是本发明原子束流装置的真空玻璃腔体右视图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的变化范围。
先请参阅图1、图2和图3，由图可见，本发明原子束流装置，包括光学系统，其特征在于还有真空玻璃腔体17和长条形反射光栅20，所述的玻璃腔体17是一个准长方腔体，四条水平棱具有水平平面，由右面171、左面172、后面173、前面174、顶面175、底面176、底前棱面170、底后棱面177、顶后棱面178、顶前棱面179组成，该玻璃腔体的右面171与左面172平行，后面173与前面174平行，顶面175与底面176平行，右面171与后面173垂直，底前棱面170与顶后棱面178平行，底后棱面177与顶前棱面179平行，底前棱面170与顶前棱面179垂直，底前棱面170均与前面174、底面176成夹角45°，第一钕铁硼磁铁19、第二钕铁硼磁铁24、第三钕铁硼磁铁23和第四钕铁硼磁铁18依次用真空环氧树脂胶粘在所述的玻璃腔体17内的底前棱面170、底后棱面177、顶后棱面178和顶前棱面179上；右面171中心有一个小孔22，用于保证与高真空腔的真空差，同时输出原子束流到高真空腔中；底面176靠左有一个光孔25，用于热原子源15的输入；所述的长条形反射光栅20用真空环氧树脂胶粘在顶面175上靠右；
所述的光路系统包括第一台激光器1和第二激光器4，沿第一台激光器1输出的冷却光2方向依次是第一1/2波片3和偏振分束棱镜7，沿第二激光器4输出的再抽运光5方向依次是第二1/2波片6和偏振分束棱镜7，在偏振分束棱镜7内所述的冷却光2的反射光与所述的再抽运光5的透射光重合为光束8，该光束8依次经过第一反射镜9、凹型柱面镜10、凸型柱面镜11、第二反射镜12和四分之一波片13输出右旋圆偏振光14，该右旋圆偏振光14垂直于玻璃腔体的底面176入射到玻璃腔体内，并垂直入射到所述的光栅20上。
下面是一个具体实施例的有关参数：图3中的长边(水平和竖直方向的棱)的长度为：20mm，短边(与水平方向成45°夹角的棱)的长度为2mm。右面171中心开有一个小孔22，直径为1-3mm，用于保证与高真空腔的真空差，同时通过此小孔将原子束流输出到高真空腔中。真空玻璃腔体的面173上同样开有一个孔，用来熔接热原子发生管15，孔的直径为6mm。
真空玻璃腔体中内置的长条形光栅20表面的尺寸为45mm×15mm，光栅周期为1.2μm，占空比为1:1，光栅刻蚀深度为195μm；四个钕铁硼磁铁的尺寸均为：2mm×2mm，长度为：45mm。光栅用真空环氧树脂胶353ND粘在玻璃腔体的顶面175上。四根钕铁硼磁铁18、19、23、24分别用真空环氧树脂胶粘到玻璃腔体的面179、170、178、177上，而且四根磁铁的磁场NS极分别相邻，形成轴向磁场梯度为1-3mT/cm的磁场。
光路部分：第一台激光器1输出的冷却光2的功率为50mW，并经过一个1/2波片3和一个偏振分束棱镜7；另外，第二台激光器4输出的再抽运光5功率为10mW，经过一个1/2波片6和偏振分束棱镜7；透射的再抽运光与反射的冷却光重合为光束8。光束8经过反射镜9，并经过凹型柱面镜10和凸型柱面镜11后扩束为尺寸为20mm×50mm的椭圆光。利用反射镜9和12，再经过四分之一波片13调成右旋圆偏振光14，并垂直于真空玻璃腔体的底面176入射到真空玻璃腔体内，并垂直入射到光栅20上。光栅衍射的±1级的衍射光与入射光形成的三束光，再配合四根钕铁硼形成的磁场可以形成二维磁光阱，产生原子束流。

Claims (1)

1.一种原子束流装置，包括光学系统，其特征在于还有真空玻璃腔体(17)和长条形光栅(20)，所述的玻璃腔体(17)是一个准长方腔体，四条水平棱具有水平平面，由右面(171)、左面(172)、后面(173)、前面(174)、顶面(175)、底面(176)、底前棱面(170)、底后棱面(177)、顶后棱面(178)和顶前棱面(179)十个平面组成，该玻璃腔体的右面(171)与左面(172)平行，后面(173)与前面(174)平行，顶面(175)与底面(176)平行，右面(171)与后面(173)垂直，底前棱面(170)与顶后棱面(178)平行，底后棱面(177)与顶前棱面(179)平行，底前棱面(170)与顶前棱面(179)垂直，底前棱面(170)均与前面(174)、底面(176)成夹角45°，第一钕铁硼磁铁(19)、第二钕铁硼磁铁(24)、第三钕铁硼磁铁(23)和第四钕铁硼磁铁(18)依次用真空环氧树脂胶粘在所述的玻璃腔体(17)内的底前棱面(170)、底后棱面(177)、顶后棱面(178)和顶前棱面(179)上；右面(171)中心有一个小孔(22)，用于保证与高真空腔的真空差，同时输出原子束流到高真空腔中；所述的真空玻璃腔体(17)有一个光孔(25)，用于热原子源(15)的输入；所述的长条形光栅(20)用真空环氧树脂胶粘在顶面(175)上靠右；
所述的光学系统包括第一台激光器(1)和第二激光器(4)，沿第一台激光器(1)输出的冷却光(2)方向依次是第一1/2波片(3)和偏振分束棱镜(7)，沿第二激光器(4)输出的再抽运光(5)方向依次是第二1/2波片(6)和偏振分束棱镜(7)，在偏振分束棱镜(7)内所述的冷却光(2)的反射光与所述的再抽运光(5)的透射光重合为光束(8)，该光束(8)依次经过第一反射镜(9)、凹型柱面镜(10)、凸型柱面镜(11)、第二反射镜(12)和四分之一波片(13)输出右旋圆偏振光(14)，该右旋圆偏振光(14)垂直于玻璃腔体的底面(176)入射到玻璃腔体内，并垂直入射到所述的长条形光栅(20)上。
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