CN109596047B - 测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法，包括搭建测量装置；调节第一移动刀口光阑的位置测量并记录冷原子黏团的飞行时间信号强度；调节第二移动刀口光阑5的位置测量并记录冷原子黏团的飞行时间信号强度；绘制数据图拟合出在第一移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σ0；绘制数据图拟合出在第二移动刀口光阑5位置的冷原子黏团高斯半径σt计算出冷原子黏团温度T。
Description
技术领域
本发明属于测时学技术领域，具体涉及到一种测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法。
背景技术
冷原子喷泉是冷原子研究的重要技术手段，广泛应用于原子频标、原子干涉仪等众多领域。冷原子喷泉的工作介质是冷原子黏团。冷原子黏团的温度是衡量原子黏团品质的重要指标。目前测量冷原子团温度常用的方法有三种：1.释放再俘获法，实验制备好冷原子团以后，观测荧光信号的强度，某一时刻迅速关闭冷却光而释放真空腔中的原子黏团使其自由扩散，几个毫秒后再次开启冷却光测量原子团的荧光信号强度，测量时间在1ms以内，测量的过程不影响原子的运动状态，再次关断冷却光，再次测量。重复这个过程，直到荧光信号消失。通过拟合荧光信号随时间的变化曲线可以测得冷原子团的温度。释放再俘获法多用于温度较高的原子团温度的测量；2.原子团扩展法：与释放再俘获法相似，关闭冷却光后，利用CCD吸收成像拍摄原子团的变化图像，根据吸收的强弱可以得到原子团的空间密度分布的变化，从而测得原子团的温度。3.飞行时间法，在磁光阱中制备好冷原子团后，立即关闭冷却光而释放俘获到的原子团，原子团在重力作用下自由下落，由于原子的热运动，原子团在下落的同时伴随着膨胀，在原子团正下方一定距离处设置一束共振探测激光，原子团经过探测光时被激发出荧光，荧光信号的强度和宽度分别反映原子数目的多少和原子团的温度。
上述三种冷原子团温度的测量方法需要单独搭建复杂的探测系统。第一种方法需要设计高同步精度的时序控制系统。第二种方法需要用到昂贵的CCD摄像系统。第三种方法则需要在保证信号信噪比的前提下减小探测器的响应时间，而且原子黏团温度的测量精度也会受到探测器响应时间的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有冷原子团温度的测量方法的缺点，提供一种操作简单、对光电探测器要求较低、测量准确的测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法，包括以下步骤：
(1)搭建测量装置
位于原子喷泉上方，沿着冷原子黏团运行路径从下至上依次设置有第一激光束、第二激光束、探测器和荧光收集系统，第一激光束和第二激光束的截面为圆形，在第一激光束的光出射方向设置有第一移动刀口光阑；在第二激光束的光出射方向设置有第二移动刀口光阑，初始，第一移动刀口光阑完全遮住第一激光束，第二移动刀口光阑完全遮住第二激光束，两个激光束平行、且与冷原子黏团运行路径垂直；
(2)调节第一移动刀口光阑的位置测量并记录冷原子黏团的飞行时间信号强度
原子喷泉的磁光阱每隔2秒以初速度v竖直向上抛射一次冷原子黏团，按照步进距离b沿着前后方向调节第一移动刀口光阑，测量并记录第一移动刀口光阑每一位置处冷原子黏团的飞行时间信号强度，直到冷原子黏团的飞行时间信号消失；
(3)调节第二移动刀口光阑的位置测量并记录冷原子黏团的飞行时间信号强度
调节第一移动刀口光阑恢复至原位，使第一移动刀口光阑完全遮住第一激光束出射的激光，按照步进距离b沿着前后方向调节第二移动刀口光阑，测量并记录第二移动刀口光阑每一位置处冷原子黏团的飞行时间信号强度，直到冷原子黏团的飞行时间信号消失；
(4)绘制数据图拟合出在第一移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σ0
以第一移动刀口光阑步进距离作为横坐标、冷原子黏团的飞行时间信号强度作为纵坐标，用步骤(2)记录的数据绘制数据图拟合得到在第一移动刀口光阑3位置的原子团高斯半径σ0；
(5)绘制数据图拟合出在第二移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σt
以第二移动刀口光阑步进距离作为横坐标、冷原子黏团的飞行时间信号强度作为纵坐标，用步骤(3)记录的数据绘制数据图拟合得到在第二移动刀口光阑位置的原子团高斯半径σt；
(6)按照下式计算出冷原子黏团2温度T
式中，K为玻尔兹曼常数，m为原子质量，t为冷原子黏团从第一移动刀口光阑到第二移动刀口光阑所经历的时间。
作为一种优选的技术方案，所述的步骤(4)、(5)中按照下式拟合出冷原子黏团高斯半径σ
式中，N0(d)为光阑移动过程中剩余冷原子黏团的原子数目，正比于其荧光信号的强度，C是归一化常数与原子密度有关，r表示刀口光阑所在位置原子团切片的高斯半径，σ为冷原子黏团的高斯半径，d为冷原子黏团飞行时间信号开始下降至冷原子黏团的飞行时间信号消失移动刀口光阑移动的距离，x是以冷原子黏团中心为坐标原点移动刀口光阑所在位置的横向坐标。
本发明的有益效果如下：
本发明利用激光束，刀口光阑等实验装置完成了对冷原子黏团尺寸和温度的测量，避免了传统测温方法复杂的实验装置，昂贵的实验仪器，繁琐的数据处理。相比传统方法具有操作简单，对原子黏团的尺寸和温度测量精度高的特点。
附图说明
图1是本发明测量装置示意图。
图2是实施例中第一移动刀口光阑3处冷原子黏团尺寸的测量结果
图3是实施例中第二移动刀口光阑5处冷原子黏团尺寸的测量结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
一种测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法，包括以下步骤：
(1)搭建测量装置
位于原子喷泉1上方，沿着冷原子黏团2运行路径从下至上依次设置有第一激光束4、第二激光束6、探测器和荧光收集系统7，在第一激光束4的光出射方向设置有第一移动刀口光阑3，在第二激光束6的光出射方向设置有第二移动刀口光阑5，初始，第一移动刀口光阑3完全遮住第一激光束4的激光，第二移动刀口光阑5完全遮住第二激光束6的激光，两个激光束相互平行平行、与冷原子黏团2运行路径垂直，如图1；
(2)调节第一移动刀口光阑3的位置测量并记录冷原子黏团2的飞行时间信号强度
铯原子喷泉的磁光阱每隔2秒以v为4m/s的初速度竖直向上抛射一次冷原子黏团2，第一移动刀口光阑3按照步进距离b为0.5mm沿着前后方向移动，此时，第一激光束4出射的激光将冷原子黏团2的部分原子推除，冷原子黏团2的飞行时间信号下降，探测器和荧光收集系统7测量并记录第一移动刀口光阑3每一位置处冷原子黏团2的飞行时间信号强度，直到冷原子黏团2的飞行时间信号消失；
(3)调节第二移动刀口光阑5的位置测量并记录冷原子黏团2的飞行时间信号强度
调节第一移动刀口光阑3恢复至原位，使第一移动刀口光阑3完全遮住第一激光束4的激光，第二移动刀口光阑5按照步进距离d为0.5mm沿着前后方向移动，此时，第二激光束6出射的激光将冷原子黏团2的部分原子推除，冷原子黏团2的飞行时间信号下降，探测器和荧光收集系统7测量并记录第二移动刀口光阑5每一位置处冷原子黏团2的飞行时间信号强度，直到冷原子黏团2的飞行时间信号消失；
(4)绘制数据图拟合出在第一移动刀口光阑3位置的冷原子黏团2高斯半径σ0
如图2，以第一移动刀口光阑3步进距离作为横坐标、冷原子黏团2的飞行时间信号强度作为纵坐标，用步骤(2)记录的数据绘制数据图并按照下式拟合得到在第一移动刀口光阑3位置的原子团高斯半径σ0；
式中，N0(d)为第一移动刀口光阑3移动过程中剩余冷原子黏团2的原子数目，C是归一化常数与原子密度有关，r表示第一移动刀口光阑3所在位置冷原子黏团2切片的高斯半径，x是以冷原子黏团2中心为坐标原点第一移动刀口光阑3所在位置的横向坐标，拟合结果σ0为2.2mm；
(5)绘制数据图拟合出在第二移动刀口光阑5位置的冷原子黏团2高斯半径σt
如图3，以第二移动刀口光阑5步进距离作为横坐标、冷原子黏团2的飞行时间信号强度作为纵坐标，用步骤(3)记录的数据绘制数据图并按照下式拟合得到在第二移动刀口光阑5位置的原子团高斯半径σt
式中，N0(d)为第二移动刀口光阑5移动过程中剩余冷原子黏团2的原子数目，C是归一化常数，r为第二移动刀口光阑5所在位置冷原子黏团2切片的尺寸，x表示冷原子黏团2在x轴的尺寸，拟合结果σt为3.25mm；
(6)按照下式计算出冷原子黏团2温度T
式中，K为波尔兹曼常数,K＝1.38×10-23J/K,m为原子质量，m＝2.25×10-25Kg,t为冷原子黏团2从第一移动刀口光阑3到第二移动刀口光阑5所经历的时间t为64.7ms，计算得到原子团温度为T＝22.29μK。
Claims (2)
1.一种测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)搭建测量装置
位于原子喷泉上方，沿着冷原子黏团运行路径从下至上依次设置有第一激光束、第二激光束、探测器和荧光收集系统，第一激光束和第二激光束的截面为圆形，在第一激光束的光出射方向设置有第一移动刀口光阑；在第二激光束的光出射方向设置有第二移动刀口光阑，初始，第一移动刀口光阑完全遮住第一激光束，第二移动刀口光阑完全遮住第二激光束，两个激光束平行、且与冷原子黏团运行路径垂直；
(2)调节第一移动刀口光阑的位置测量并记录冷原子黏团的飞行时间信号强度
原子喷泉的磁光阱每隔2秒以初速度v竖直向上抛射一次冷原子黏团，按照步进距离b沿着前后方向调节第一移动刀口光阑，测量并记录第一移动刀口光阑每一位置处冷原子黏团的飞行时间信号强度，直到冷原子黏团的飞行时间信号消失；
(3)调节第二移动刀口光阑的位置测量并记录冷原子黏团的飞行时间信号强度
调节第一移动刀口光阑恢复至原位，使第一移动刀口光阑完全遮住第一激光束出射的激光，按照步进距离b沿着前后方向调节第二移动刀口光阑，测量并记录第二移动刀口光阑每一位置处冷原子黏团的飞行时间信号强度，直到冷原子黏团的飞行时间信号消失；
(4)绘制数据图拟合出在第一移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σ0以第一移动刀口光阑步进距离作为横坐标、冷原子黏团的飞行时间信号强度作为纵坐标，用步骤2记录的数据绘制数据图拟合得到在第一移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σ0；
(5)绘制数据图拟合出在第二移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σt以第二移动刀口光阑步进距离作为横坐标、冷原子黏团的飞行时间信号强度作为纵坐标，用步骤3记录的数据绘制数据图拟合得到在第二移动刀口光阑位置的冷原子黏团高斯半径σt；
(6)按照下式计算出冷原子黏团温度T
式中，K为玻尔兹曼常数，m为原子质量，t为冷原子黏团从第一移动刀口光阑3到第二移动刀口光阑所经历的时间。
2.根据权利要求1所述的测量原子喷泉冷原子黏团的尺寸和温度的方法，其特征在于：所述的步骤4、5中按照下式拟合出冷原子黏团高斯半径σ
式中，N0(d)为光阑移动过程中剩余冷原子黏团的原子数目，正比于其荧光信号的强度，C是归一化常数与原子密度有关，r表示刀口光阑所在位置原子团切片的高斯半径，σ为冷原子黏团的高斯半径，d为冷原子黏团飞行时间信号开始下降至冷原子黏团的飞行时间信号消失时移动刀口光阑移动的距离，x是以冷原子黏团中心为坐标原点移动刀口光阑所在位置的横向坐标。
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