CN1145792C - 原子束干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种原子束干涉仪，包括在外壳内的真空腔里，置有原子束源，有接收面对着原子束前进方向的接收器。在原子束源与接收器之间置有波带片，在波带片一级衍射的焦点处有针孔光阑，在焦点垂直于原子束前进方向上的平面上，针孔光阑的旁边置放待测物品。接收器的输出连接到计算机上。具有结构简单，干涉效率高，灵敏度比光学干涉仪高7个数量级的特点。能够测量出任何一种可引起干涉位相变化的作用量。
Description
技术领域
本发明是属于一种原子束干涉仪。
背景技术
近年来，原子光学已成为一门新的学科，原子的反射、聚焦、成像、衍射、干涉已经在许多实验中获得成功。特别是原子束干涉仪的研究，获得了人们普遍的关注。按照德布罗意(De Broglie)原理，原子的波长取决于它的速度，与质量成反比。原子质量比电子和中子大得多， 因此原子的德布罗意波长比中子和电子要小得多，这将大大提高测试精度。
众所周知，电子和中子干涉仪早已实现。而原子由于不带电荷，不受电磁场控制；又不能象中子那样穿透固体，不能采用晶格衍射的方法分束实现干涉，因而，原子束干涉仪的发展始终落后于电子束和中子束干涉仪。
令人欣慰的是，近年来原子冷却减速技术以及原子衍射栅制造技术的发展，为研制原子束干涉仪提供了技术基础。1991年美国麻省理工学院的一个研究小组(参见在先技术：D.W.Keith，C.R.Ekstrom.Q.A.Turchette and D.E.Pritchard，Phys.Rev.Lett.，1991，66：2693)，用三块透射栅板首次建成了Na原子干涉仪。如图1所示，原子束源1发射的物质波经第一栅板2后，其零级波P0和一级衍射波P1被分开，再经第二栅板3衍射后，零级波P0的一级衍射波P2，和一级波P1的负一级衍射波P3在第三块衍射栅板4处相遇(类似于早期中子干涉仪结构)，形成干涉条纹，第三块栅板4的作用是作为干涉条纹的取样器。如图1所示。然而，该干涉仪经两次衍射以后效率很低，又结构复杂，调整困难，一般实验室难以实现。
另外一些原子束干涉仪如：受激拉曼跃迁原子束干涉仪(参见在先技术：M.Kasevich and S.Chu.Appl.Phys.，1992，B54：321)，拉姆塞(Ramsey)条纹干涉仪(参见在先技术：Ch.J.Brode.Phys.Lett.，1989，140：10)，还处于原理验证阶段。
发明内容
本发明的目的是为克服上述在先技术中所存在的不足，提供一种按照物质波衍射原理，采用一块波带片实现原子束的分束和重叠，产生干涉的原子束干涉仪。其不仅结构简单，而且将提高干涉效率。
本发明的原子束干涉仪，包括：在外壳8内的真空腔9里，置有原子束源1，有接收面对着原子束源1发射原子束前进方向的接收器7。在原子束源1与接收器7之间置有波带片5，在波带片5的一级衍射的焦点O处置有针孔光阑6，在焦点O垂直于原子束前进方向上的平面上，针孔光阑6的旁边置放待测物品10。接收器7的输出连接到计算机11上。如图2所示。
所说的波带片5对原子束具有聚焦和成像作用。(这已被实践证明)波带片上的波带环为金结构的。金结构的波带环阻隔原子束通过，使原子束仅从两金结构波带环之间的空带环通过。为此，波带环金结构的厚度等于或大于0.5μm。
所说的针孔光阑6上的针孔孔径小于或等于0.2mm，其针孔光阑6的作用是滤去原子束经过波带片5后的其它衍射波，使通过针孔光阑6针孔的仅为一级衍射波。
本发明干涉仪如上述的结构包括：原子束源1、波带片5、置于波带片5焦点处的针孔光阑6、接收器7、外壳8、真空腔9、待测物品10放在光阑6旁边的焦平面上。如图2所示。
原子束源1发射的近平行原子束照明一波带片5，在波带片5一级衍射焦点O处放置一小尺寸(直径为0.1毫米)的针孔光阑6，从针孔光阑6透射出的原子束作为参考束Gc，而从波带片5透射过来的平行束(零级波P0)作为物束Gw，将待测物品10置于物束Gw与针孔光阑6在同一水平面的位置上，在两原子束Gc与Gw相遇处，可获得干涉条纹。干涉条纹间距取决于参考束Gc与物束Gw间的夹角以及原子的德布罗意波长。干涉信息被接收器7接收并转送到计算机上，计算机再对其干涉全息图进行重构再现。
本发明的优点：
本发明的干涉仪，结构简单，干涉效率高，灵敏度比光学干涉仪要高7个数量级。能测量出任何一种可引起干涉位相变化的作用量，如：电磁场、重力场等。借此可以用来测量原子的净电荷，玻色子的转动相移，伯瑞(Berry)位相特性(原子在空间变化的磁场中的运动)；还可以进行广义相对论的研究，测量地球的转动速度，测重力加速度的绝对值，在导航、测绘、地质结构等方面都有极大的应用价值。
附图说明
图1为在先技术Na原子束干涉仪示意图。
图2为本发明原子束干涉仪结构示意图。
图3为实施例中所用的原子束干涉仪结构示意图。
具体实施方式
本发明的原子束干涉仪如图2、图3所示，包括原子束源1、波带片5、针孔光阑6、接收器7。其中原子束源1是一个亚稳态1S3Ne*原子源，本实施例中亚稳态Ne*1S3的获得是用激光激发 ，如图3所示。外壳8内的真空腔9是采用3个机械泵和3个扩散泵，可使真空腔9里的真空达到5×10-6τ，此时的原子自由程达到10米以上。
原子束源1中含有的磁光陷阱是由激光场和磁场组成的，能对原子进行冷却和捕获，由于它结构简单，所以多年来被广泛用作冷原子束实验的基本工具。
磁光陷阱即是用园偏振的光产生光学粘胶，把光的频率调谐至略低于原子的吸收线，并从所有方向照射原子，多普勒频移使对着运动原子入射的光移近共振，而使背离它的光远离共振，这样原子优先散射从前方来的光子并被减速。
通常用六束激光形成三个相互垂直的驻波场，这样，原子在任何地方都可以受到一个粘滞阻尼力F，阻制其运动，能够囚禁一部分原子，形成可见的原子云，这样的原子云被命名为光学粘胶。
如果仅用光学粘胶的方法，来冷却和囚禁原子时，常使原子失谐，用一个球型四极矩磁场时，当原子远离原点时，塞曼频移使其趋于共振，光束就把原子向原点推回。典型的磁光陷阱，囚禁原子数目可达1010，温度在10～100μk范围内，密度可达1012/cm2，这些足以保证干涉场的产生。
上述激光系统为由氩离子激光器101，染料激光器102，45°全反镜103，1/4波片104，衰减片105，密封窗口106，90°全反镜109组成。该激光系统是用来冷却和减慢原子束的速度。
波带片5的直径为210μm，波带片5的第一个波带环的半径r1＝9.38μm，波带片5的总环数2nmax＝128，波带环金结构的厚度为0.5μm，其目的在于使原子束不能通过金结构波带环形成原子束波挡住的区域，而使原子束仅能从金结构波带环之间的空带环区域通过。利用波带片5对原子束的衍射特性，把原子束分束，并进行重叠就可以获得干涉条纹。
接收器7采用微通道板和CCD，接收器7接收的干涉信息输入到计算机11中去进行重构。
上面介绍了本发明原子束干涉仪的结构以后，下面介绍本发明干涉仪是如何工作的。
亚稳态ls3Ne*原子，经喷嘴注入到磁光陷阱中，被若丹明6G染料激光器，640nm激光和磁场冷却，然后经两个直径为0.2mm，相距0.6m的光阑110和111准直，入射到波带片5上，在参考束Ge与物束Gw相遇波带片5一级衍射焦点O处放置针孔直径为0.1mm的针孔光阑6，由此针孔光阑6出射的原子束作为参考束Gc，由波带片5出射的平行的零级波P0照明待测物品10作为物束Gw，在形成原子束干涉区域，放置一接收器7(微通道板连接CCD)。接收器7接收到的干涉信号输出到计算机11上，对原子束干涉图进行重构。
Claims (3)
1.一种原子束干涉仪，包括在外壳(8)内的真空腔(9)里，置有原子束源(1)、有接收面对着原子束源(1)发射原子束前进方向的接收器(7)，接收器(7)的输出连接到计算机(11)上，其特征在于在原子束源(1)与接收器(7)之间置有波带环为金结构的具有聚焦和成像作用的波带片(5)，在波带片(5)的一级衍射的焦点(O)处置有针孔光阑(6)，在焦点(O)垂直于原子束前进方向上的平面上，针孔光阑(6)的旁边置放待测物品(10)。
2.根据权利要求1所述的原子束干涉仪，其特征在于所说的波带片(5)上的金结构的波带环的厚度等于或大于0.5μm。
3.根据权利要求1所述的原子束干涉仪，其特征在于所说的针孔光阑(6)上的针孔孔径小于或等于0.2mm。
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