CN111081526B - 一种高通光离子阱装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高通光离子阱装置，包括离子阱刀片组(1)以及玻璃腔室(2)，离子阱刀片组(1)设置于玻璃腔室(2)对角线的交点上；离子阱刀片组(1)包括一对射频电极(101)以及一对直流电极(102)，一对射频电极(101)以及一对直流电极(102)形成四个通光夹角，四个通光夹角的四个顶点围成的平面具有一中心轴，四个顶点距离中心轴的垂直距离相等，平面沿中心轴方向延伸得到的区域为中央囚禁区(3)；四个通光夹角一一对应玻璃腔室(2)的四个透明玻璃面；中心轴与四个透明玻璃面外表面的距离可调节。

Description

一种高通光离子阱装置
技术领域
本发明涉及量子信息、量子化学、光学频标、量子光学领域，具体涉及一种具有高度通光性的离子阱装置。
背景技术
离子阱是一种一种使用磁场或者射频电场束缚单个或者多个离子的装置。Wolfgang Paul在1953年发明的美国专利US 2939952中提出了Paul 阱，利用射频电场和静电场实现对带电粒子的束缚。Paul阱使用一对相对放置的双曲面金属电极作为射频电极，其制作难度大，组装困难，且通光性差。后来出现了一批结构改进的Paul阱，比如线性四极杆阱、线性刀片阱、微纳加工的芯片阱、表面阱。
但是，四极杆阱由于直流电极数量较少，对单个离子的调控仍然很困难，因此对多离子的调控能力有限；线性刀片阱制作相对简单，通光性好且对离子束缚能力强，缺点是体积较大且组装误差较大；芯片阱加工困难，设计和制作周期长，最为重要的是通光性差，其中利用多层芯片组装的芯片阱一般只有一个方向具有通光的开槽，需要同时供给荧光收集和激光入射，极大地限制了激光的入射方向和操作能力；表面阱其加工难度较高，势阱较浅，表面阱阱深只有20-200meV，离子束缚稳定性较差，因此通常需要超低温环境，如4K温度以下来提供更好的真空条件，这反而增加了实验设备的复杂度和成本，并且，表面阱的通光性也由于低温系统的大型体积而受到限制。
因此，制备一种制作方式简单、性能优良的离子阱是目前亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种高通光离子阱装置，至少用于解决制作过程复杂，应用环境苛刻，通光性差的问题。
(二)技术方案
本发明提供一种高通光离子阱装置，包括离子阱刀片组1以及玻璃腔室2，离子阱刀片组1设置于玻璃腔室2对角线的交点上；离子阱刀片组 1包括一对射频电极101以及一对直流电极102，一对射频电极101以及一对直流电极102形成四个通光夹角，四个通光夹角的四个顶点围成的平面具有一中心轴，四个顶点距离中心轴的垂直距离相等，平面沿中心轴方向延伸得到的区域为中央囚禁区3；四个通光夹角一一对应玻璃腔室2的四个透明玻璃面；中心轴与四个透明玻璃面外表面的距离可调节。
可选地，通过改变四个透明玻璃面的尺寸以调节中心轴与四个透明玻璃面外表面的垂直距离。
可选地，中心轴与四个透明玻璃面外表面的距离均大于1cm且小于 5cm。
可选地，一对直流电极102中的任一直流电极包括至少五段电极，至少五段电极中两端的电极用于对离子提供轴向束缚力，至少五段电极中的中间的电极用于对束缚离子位置的控制。
可选地，装置还包括：刀片固定基板4、引线支柱5、固定侧板6、固定底板7、至少一个的固定梁8、不锈钢真空腔9以及原子炉10；原子炉 10设置于引线支柱5上，离子阱刀片组1、刀片固定基板4、引线支柱5、固定侧板6、固定底板7以及至少一个的固定梁8依次连接并固定在不锈钢真空腔9上；引线支柱5穿过玻璃腔室2的一侧玻璃面。
可选地，不锈钢真空腔9包括至少一个的侧面窗口901，侧面窗口901 为装置提供真空环境。
可选地，高通光离子阱装置还包括：玻璃管12、玻璃腔转接管13以及玻璃腔转接法兰14；玻璃腔室2、玻璃管12、玻璃腔转接管13、玻璃腔转接法兰14依次连接并固定。
可选地，原子炉10靠近离子阱刀片组1的一端设置有同位素。
可选地，高通光离子阱装置还包括压线板15，外界导线通过压线板 15与引线支柱5上的引线相连。
(三)有益效果
1、本发明提供的透明长方体玻璃腔室可以提高离子阱的通光性，使激光、离子化光或者泵浦光的入射方向和离子的荧光收集不受限制；
2、本发明提供的离子阱刀片组组成的四个通光夹角一一对应玻璃腔室的四个玻璃面，该四个玻璃面的外表面与中央囚禁区的距离均相等，该距离可以通过改变玻璃腔室的尺寸来调节，调节范围为1cm至5cm，使得通光数值孔径大于0.35或者大于0.7；
3、本发明中位于不锈钢真空腔中的侧面窗口为离子阱提供真空环境，使得离子碰撞几率减小、离子寿命增加；
4、本发明中任一直流电极均具有至少五个部分的区域，直流电极上两端的区域用于对离子提供轴向束缚力，直流电极中间的区域用于对束缚离子位置的控制。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的高通光离子阱装置的结构图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的引线支柱与离子阱刀片组的结构示意图。
图3示意性示出了本发明实施例提供的固定装置的结构图。
附图标记说明：1-离子阱刀片组；101a、101b-射频电极；102a、102b- 直流电极；2-玻璃腔室；3-中央囚禁区；4-刀片固定基板；5-引线支柱；501- 射频引线；502-直流引线组；503-地线；504-引线键合区；6-固定侧板；7- 固定底板；801、802、803、804-固定梁；9-不锈钢真空腔；901-侧面窗口； 10-原子炉；111-原子炉槽位；112-原子炉管；113-同位素材料；12-玻璃管；13-玻璃腔转接管；14-玻璃腔转接法兰；15-压线板；151-压线槽；152-压线螺纹孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参阅图1，图1示意性示出了本发明高通光离子阱装置的结构图。该高通光离子阱装置包括：离子阱刀片组1以及玻璃腔室2，离子阱刀片组 1设置于玻璃腔室2对角线的交点上。
离子阱刀片组1包括一对射频电极101以及一对直流电极102，一对射频电极101以及一对直流电极102形成四个通光夹角，四个通光夹角的四个顶点围成的平面具有一中心轴，四个顶点距离中心轴的垂直距离相等，该平面沿中心轴方向延伸得到的区域为中央囚禁区3。
上述四个通光夹角一一对应玻璃腔室2的四个透明玻璃面，中央囚禁区3与四个透明玻璃面外表面的垂直距离可调节。其中，离子阱刀片组1 中的四个顶点围成的平面大小例如可以为300μm×400μm，四个顶点距离中心轴的垂直距离距离例如可以为250μm，上述电极尺寸以及四个顶点距离中心轴的垂直距离可以在一范围内变化而不会影响离子阱的稳定性和通光能力。
上述玻璃腔室2为长方体玻璃腔室，使得中央囚禁区3距离四个透明玻璃面外窗口边缘距离短，开口大，能够同时实现两个数值孔径大于0.35 的物镜和两个数值孔径大于0.7的物镜；上述玻璃腔室2的例如可以使用一对长宽均为30mm的玻璃面以及两对长120mm、宽30mm的玻璃面，并且保留足够的激光入射角度，该入射角度例如可以为90°或者45°，具体入射角度本发明不做具体限制。除此以外，玻璃腔室2可以使用增透膜，例如对于镱离子，可以在玻璃腔室2的其中一对相对的玻璃面上镀45°入射增透膜，另一对相对的玻璃面上镀0°的入射增透膜，该入射增透膜用于增强介质的透过率以及减少反射损耗。上述玻璃腔室2可以用于超快激光原子相互作用、光镊、高效率荧光收集、高保真度的超快量子逻辑门等技术。
上述离子阱刀片组1以及玻璃腔室2的材料应需要经受200℃的高温持续15天的烘烤。
本发明实施例中，通过改变四个透明玻璃面的尺寸以调节中心轴与四个透明玻璃面外表面的垂直距离。上述尺寸包括：四个透明玻璃面的长度、宽度以及厚度。
本发明实施例中，中心轴与四个透明玻璃面外表面的距离均大于1cm 且小于5cm。
上述一对直流电极102中的任一直流电极至少包含五段电极，该至少五段电极中两端的电极用于对离子提供轴向束缚力，五段电极中的中间电极用于对束缚离子位置的控制。上述两端的电极与中间电极互不相连且单独施加电压信号，用以调控离子的位置。上述一对射频电极101用于施加射频信号，射频信号用于在中央囚禁区3产生能够束缚至少一个离子的射频电场。
再参阅图1，上述高通光离子阱装置还包括：刀片固定基板4、引线支柱5、固定侧板6、固定底板7、至少一个的固定梁8、不锈钢真空腔9 以及原子炉10；原子炉10设置于引线支柱5上，离子阱刀片组1、刀片固定基板4、引线支柱5、固定侧板6、固定底板7以及至少一个的固定梁 8依次连接并固定在不锈钢真空腔9上；引线支柱5穿过玻璃腔室2的一侧玻璃面。上述固定方法例如可以为使用超高真空胶水粘合或者化学方法键合，具体固定方法本发明不做具体限制。
上述高通光离子阱装置还包括：玻璃管12、玻璃腔转接管13以及玻璃腔转接法兰14；玻璃腔室2、玻璃管12、玻璃腔转接管13、玻璃腔转接法兰14与侧面窗口901依次连接并固定，引线支柱5设置于玻璃腔转接法兰14的中轴线上。
参阅图2，图2示意性示出了本发明引线支柱与离子阱刀片组的结构示意图。上述刀片固定基板4包含上层基板和下层基板，上层基板上设置有固定离子阱刀片组1的四个通槽，限制离子阱刀片组1的水平位置，下层基板设置有表面平整，且表面粗糙度小于1um，限制离子阱刀片组的竖直位置。
上述引线支柱5包括绝缘基底和金属引线，金属引线包括：与一对射频电极101连接的一对射频引线501，与一对直流电极102连接的一对直流引线组502，以及地线503；上述一对直流引线组502与地线503之间连接低通滤波器，低通滤波器用于减小射频信号在直流信号上的干扰；金属引线为部分固定在绝缘材料上的独立引线或者是整体固定在绝缘材料表面的引线。
上述原子炉10设置于引线支柱5靠近离子阱刀片组1的一端，原子炉10包括原子炉槽位111以及不锈钢管制备的原子炉管112，将同位素填充到原子炉管112内，管口夹紧并弯曲，弯曲曲面的法线指向中央囚禁区 3，该同位素材料113可以为高通光离子阱装置提供原子和离子资源。
参阅图3，图3示意性示出了本发明实施例固定装置的结构图。引线支柱5上的金属引线是部分固定在绝缘材料上的独立导线或者是整体固定在绝缘材料表面的金属引线。
上述不锈钢真空腔9包括至少一个的侧面窗口901，该侧面窗口901 包括真空盲板、真空法兰、真空泵、真空馈通以及真空阀门构成的密闭空间，该密闭空间为高通光离子阱装置提供真空环境。其中，真空馈通包含射频接线端和接地端，射频导线通过射频馈通与外界电源相连。例如射频馈通可以通过与外界的螺旋谐振腔的输出端相连，用于提供高压射频信号；接地端的地线可以与螺旋谐振腔的外壳相连，螺旋谐振腔用以提供阻抗匹配和滤波放大的功能。直流馈通包含至少一个的接线端，本实施例中应至少包含11个接线端的端口，其中10个分别连接一对直流电极的10个分段电路，另外1个连接引线支柱5上的地线。控制直流电压信号在通过真空馈通之前经过初级滤波，初级滤波过滤掉直流信号中的高频噪音部分。真空泵例如可以使用离子泵和钛升华泵的组合，也可以使用离子泵和非升华式吸气泵的组合，其功能都是将真空维持在超高真空范围内，即1× 10-10torr以下。在超高真空，离子受到环境气体的影响较小，能够维持相对实验脉冲较长的时间内不被撞击进入暗态，并且真空越高，则碰撞几率越小、离子寿命就越高。
上述高通光离子阱装置还包括压线板15，外界导线通过压线板15与引线支柱5上的引线相连。
上述压线板15为绝缘材料，表面设置有至少一个的通孔、至少一个的压线槽151、以及与压线槽151对应的压线螺纹孔152；上述压线槽151 可使用螺丝固定在引线支柱5上，压线槽151正对引线支柱5上的金属引线，压线槽151与金属引线有一段重叠区域，该区域表示为引线键合区504，外部独立导线一端放入压线槽151内与金属引线接触并用压线螺纹孔152 中的螺丝压紧固定。压线槽151之间为绝缘壁，可以防止不同导线之间发生短路，地线从绝缘壁下走线，在压线板15另一端地线汇合然后与外部导线连接，该外部导线通过真空馈通连接外部电源。
上述压线板15的通孔与固定侧板6上设置的通孔对齐，固定侧板6 与引线支柱5之间通过螺丝固定，固定侧板6一端固定在固定梁801上，另一端固定在另一固定梁802上，固定梁801以及固定梁802通过螺丝固定在不锈钢真空腔9的侧面窗口上。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高通光离子阱装置，包括离子阱刀片组(1)以及玻璃腔室(2)，所述离子阱刀片组(1)设置于所述玻璃腔室(2)对角线的交点上；
所述离子阱刀片组(1)包括一对射频电极(101)以及一对直流电极(102)，所述一对射频电极(101)以及所述一对直流电极(102)形成四个通光夹角，所述四个通光夹角的四个顶点围成的平面具有一中心轴，所述四个顶点距离所述中心轴的垂直距离相等，所述平面沿所述中心轴方向延伸得到的区域为中央囚禁区(3)；
所述四个通光夹角一一对应所述玻璃腔室(2)的四个透明玻璃面；所述中心轴与所述四个透明玻璃面外表面的距离可通过改变四个玻璃面的尺寸来调节。
2.根据权利要求1所述的高通光离子阱装置，其中，所述玻璃腔室(2)为长方体玻璃腔室。
3.根据权利要求1所述的高通光离子阱装置，其中，改变所述四个透明玻璃面的尺寸以调节所述中心轴与所述四个透明玻璃面外表面的垂直距离。
4.根据权利要求1所述的高通光离子阱装置，其中，所述中心轴与所述四个透明玻璃面外表面的距离均大于1cm且小于5cm。
5.根据权利要求1所述的高通光离子阱装置，其中，所述一对直流电极(102)中的任一直流电极包括至少五段电极，所述至少五段电极中两端的电极用于对离子提供轴向束缚力，所述至少五段电极中的中间的电极用于提供对束缚离子位置的控制。
6.根据权利要求1所述的高通光离子阱装置，其中，所述装置还包括：刀片固定基板(4)、引线支柱(5)、固定侧板(6)、固定底板(7)、至少一个的固定梁(8)、不锈钢真空腔(9)以及原子炉(10)；
所述原子炉(10)设置于所述引线支柱(5)上，所述离子阱刀片组(1)、所述刀片固定基板(4)、所述引线支柱(5)、所述固定侧板(6)、所述固定底板(7)以及至少一个的所述固定梁(8)依次连接并固定在所述不锈钢真空腔(9)上；
所述引线支柱(5)穿过所述玻璃腔室(2)的一侧玻璃面。
7.根据权利要求6所述的高通光离子阱装置，其中，所述不锈钢真空腔(9)包括至少一个的侧面窗口(901)，所述侧面窗口(901)为所述装置提供真空环境。
8.根据权利要求1所述的高通光离子阱装置，其中，所述高通光离子阱装置还包括：玻璃管(12)、玻璃腔转接管(13)以及玻璃腔转接法兰(14)；
所述玻璃腔室(2)、所述玻璃管(12)、所述玻璃腔转接管(13)、所述玻璃腔转接法兰(14)依次连接并固定。
9.根据权利要求6所述的高通光离子阱装置，其中，所述原子炉(10)靠近所述离子阱刀片组(1)的一端设置有同位素。
10.根据权利要求6所述的高通光离子阱装置，其中，所述高通光离子阱装置还包括压线板(15)，外界导线通过所述压线板(15)与所述引线支柱(5)上的引线相连。
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