CN115479695B - 冷原子速度标记与过滤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种冷原子速度标记与过滤的方法，该方法利用针对原子内态的精准标记操作和使原子内态近似无损的连续光脉冲探测，获得对原子团中较冷部分原子的标记，从而实现快速原子和慢速原子的分离。其中，标记操作和无损探测是依赖于针对光和原子作用过程中偏振自由度的控制和原子内部的循环跃迁。本发明实现了识别较小速度原子的类似麦克斯韦妖模型的操作，实现简单，并且适用于各种类型的冷原子平台。

Description

冷原子速度标记与过滤的方法
技术领域
本发明涉及较冷原子的过滤，特别是一种基于标记过程的冷原子速度标记与过滤的方法。
背景技术
随着原子激光冷却与陷俘技术的快速发展，冷原子已成为新兴量子技术的关键平台，例如量子精密测量、量子传感、量子模拟和量子信息等。冷原子温度是冷原子量子技术实验中一个非常重要的物理参数，而更低的冷原子温度往往意味着更长的相干时间和更高的精度，所以标记和过滤冷原子系综中相对较冷的部分不仅在理论上具有重要意义，而且在实际应用上也具有很大的帮助。
目前，过滤速度较低粒子的实验已经在各种实验系统中被提出和论证，但是，对于冷原子，仅实现了一维单速度冷却，一维单速度冷却(参见在先技术1，T.Binnewies,U.Sterr,J.Helmcke,and F.Riehle,Cooling by Maxwell's demon:Preparation ofsingle-velocity atoms for matter-wave interferometry,Phys.Rev.A,2000,62(1):011601)是从预先冷却的原子中选择和积累慢速原子，而其余较热的原子需要重新热化，为下一个循环提供选择和积累的慢速原子。这个方法可以利用一个非常窄的原子跃迁来制备一维速度分布较窄的原子系综，但是该方法只能在一维方向上对原子速度进行选择。另外，我们近期开发了一种新的测量冷原子温度的方法(参见在先技术2，王鑫等，一种选定区域内冷原子温度的测量方法，中国发明专利CN 111207853B)，其本质是通过操纵冷原子的内部状态来标记它们，然后监测它们的扩散。在此基础上，我们通过对该方法的标记过程进行一系列操作，不仅可以实现对冷原子温度的快速测量，而且可以过滤标记原子中较冷的部分。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提出一种冷原子速度标记与过滤的方法，通过对预先冷却的原子进行标记操作和无损探测，能够从几十μK的标记原子中过滤出亚μK的原子，该方法具有操作简单、应用范围广、破坏性小等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种冷原子速度标记与过滤的方法，该方法采用的激光包括：再抽运光、偏振光和探测光。所述的标记光是由所述的再抽运光和偏振光组成，但当它们遇到冷原子时，具有相同的光斑大小和相同光束路径。所述的探测光是与所述的标记光具有相同的光束路径和相同偏振的圆偏振光，但探测光的光斑要远大于标记光的光斑。其特征在于本方法包括以下步骤：
①利用激光对原子进行冷却：
利用激光冷却技术对运动原子进行减速，从而获得温度为几十μK的冷原子系综。
②对选定区域内的冷原子进行标记：
首先，利用光抽运或绝热快速通道等方法将整个冷原子系综的原子跃迁到所述的探测光探测不到的能级，然后，在选定区域内打一束直径很小的标记光，来驱动该区域内的原子跃迁到探测光探测到的能级，从而完成对选定区域内冷原子的标记，所述的标记光是由所述的再抽运光和偏振光构成的，所述的再抽运光和偏振光是具有相同偏振的圆偏振光，可以驱动标记光区域内的原子跃迁到特定的磁子能级上，为后面的无损探测做准备。
③标记和过滤原子中较冷的部分：
标记和过滤较冷部分原子的方法分为两种：
第一种：当标记过程完成后，较热的原子会先于较冷的原子离开该区域，而待在探测光区域内的标记原子会随着时间的推移变得越来越冷，从而实现较冷原子的标记与过滤；因此通过控制标记和探测过程之间原子的自由扩散时间，就可以过滤出不同速度等级的原子系综；
第二种:在标记过程中，将所述的标记光功率保持在一个相对较低的水平，则原子需要几毫秒或者更长的时间才能被正确地发送到目标能级，在给定标记光宽度的情况下，慢速的原子会获取更长的相互时间跃迁到目标能级，近似地说，慢速原子会跃迁到目标能级，而快速原子仍然停留在原先能级上，从而实现较冷原子的标记与过滤；因此通过控制标记光功率和标记时间，就可以过滤出不同速度等级的原子系综；
⑤对过滤的较冷原子进行快速无损的冷原子温度测量：
为了检测过滤效果，需要对过滤的较冷原子进行一个快速无损的冷原子温度测量。冷原子温度的无损测量参照在先技术(王鑫，孙远等，一种选定区域内冷原子温度的测量方法)。为了实现1ms量级的快速冷原子温度测量，需调整所述的探测光(3)的频率稳定性和功率稳定性，使探测光(3)的长期频率和功率起伏分别优于100kHz和0.03％；此外，探测光吸收信号的计算还需要考虑标记过程中标记光的有限宽度，最终冷原子温度测量的公式可写为：
其中，Iabsorb是探测光的透射光强，Constant是常数，T是冷原子温度，d是探测光直径，Rl是标记光半径，m是原子质量，kB是玻尔兹曼常数；过滤后，开启持续时间小于1ms的探测光脉冲，然后根据探测光光强的变化，并代入上述公式，就可以计算出过滤的较冷原子的温度。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
1、在冷原子系综中，可以识别速度较小的原子；
2、通过控制标记原子的扩散时间或标记光功率和标记时间，可以直接选择不同速度等级的原子系综；
3、实现用小于1ms的探测时间对冷原子温度的确定性测量。
附图说明
图1是本发明利用该方法标记与过滤较冷原子实施例的结构示意图。
图2是本发明的实施例中87Rb D2线的相关能级图。
图3是本发明冷原子速度标记与过滤方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
实施例
请先参阅图1，图1是本发明利用该方法标记与过滤较冷原子实施例的结构示意图。如图所示，该方法采用的激光包括：再抽运光1、偏振光2和探测光3。再抽运光1和偏振光2共同组成标记光，来参与标记过程，并且当它们遇到冷原子时，具有相同的光斑大小。偏振片5、偏振分束器4和二分之一波片6是用来调节探测光3和标记光的功率和偏振，四分之一波片7是将探测光3和标记光的偏振变为圆偏振，最后，将所述的再抽运光1、偏振光2和探测光3都调制为右旋圆偏振光。在冷原子区域8内打一束标记光，可以对标记光区域内的冷原子进行标记，而探测光3是沿标记光的路径传播，可以探测标记原子的变化过程。此外，标记光的光斑直径要小于1mm，而探测光3的光斑直径一般为几毫米，在所述的探测光3方向透过所述的冷原子区域8设置光强探测器9。
本实施例中使用的原子是铷87原子，图2是87Rb D2线的相关能级图。所述的偏振光2将驱动原子从F＝2能级跃迁到|F＝2,mF＝2>能级，所述的再抽运光1会驱动原子从F＝1能级跃迁到F＝2能级，所述的探测光3的频率与52S1/2,F＝3的跃迁频率共振。
冷原子速度标记与过滤方法的步骤流程图如图3所示，包括以下步骤：
①利用激光对原子进行冷却：
利用激光冷却技术对运动原子进行减速，如各向同性激光冷却、磁光阱、光学黏团等技术，从而获得温度为几十μK的冷原子系综；
②对选定区域内的冷原子进行标记：
首先，利用光抽运或绝热快速通道等方法将整个冷原子系综的原子跃迁到52S1/2,F＝1能级，然后，在冷原子区域8内打一束直径很小的标记光，以驱动标记光区域内的原子跃迁到5S1/2|F＝2,mF＝2>能级，而其余原子仍然处于52S1/2,F＝1能级，完成了对选定区域内的冷原子标记；
③标记和过滤原子中较冷的部分：
标记和过滤较冷部分原子的方法分为两种：
第一种：当标记过程完成后，较热的原子会先于较冷的原子离开该区域，而待在探测光区域内的标记原子会随着时间的推移变得越来越冷，从而实现较冷原子的标记与过滤；因此通过控制标记和探测过程之间原子的自由扩散时间，就可以过滤出不同速度等级的原子系综；
第二种:在标记过程中，将所述的标记光功率保持在一个相对较低的水平，则原子需要几毫秒或者更长的时间才能被正确地发送到5S1/2|F＝2,mF＝2>能级，在给定标记光宽度的情况下，慢速的原子会获取更长的相互时间跃迁到5S1/2|F＝2,mF＝2>能级，近似地说，慢速原子会跃迁到5S1/2|F＝2,mF＝2>，而快速原子仍然停留在52S1/2,F＝1能级，从而实现较冷原子的标记与过滤；因此通过控制标记光功率和标记时间，就可以过滤出不同速度等级的原子系综；
④对过滤的较冷原子进行快速无损的冷原子温度测量：
通过检测标记后冷原子的热膨胀，可以直接测量选定区域的冷原子温度，并且在该过程中使用了原子的循环跃迁，实现了对冷原子温度的无损测量。冷原子温度的无损测量参见在先技术(王鑫，孙远等，一种选定区域内冷原子温度的测量方法)。为了实现1ms量级的快速冷原子温度测量，需调整所述的探测光(3)的频率稳定性和功率稳定性，使探测光(3)的长期频率和功率起伏分别优于100kHz和0.03％；此外，探测光吸收信号的计算还需要考虑标记过程中标记光的有限宽度，最终冷原子温度测量的公式可写为：
其中，Iabsorb是探测光3的透射光强，Constant是常数，T是冷原子温度，d是探测光直径，Rl是标记光的半径，m是原子质量，kB是玻尔兹曼常数；过滤后，开启持续时间小于1ms的探测光3脉冲，利用所述的光强探测器(9)测量所述的探测光的光强，根据探测光光强的变化，并代入上述公式，就可以计算出过滤的较冷原子的温度。

Claims (3)

1.一种冷原子速度标记与过滤的方法，包括：再抽运光(1)、偏振光(2)和探测光(3)；其特征在于，该方法包括以下步骤：
①利用激光对原子进行冷却：
利用激光冷却技术对运动原子进行减速，从而获得温度为几十μK的冷原子系综；
②对选定区域内的冷原子进行标记：
首先，利用光抽运或绝热快速通道方法将整个冷原子系综的原子跃迁到所述的探测光(3)探测不到的能级，然后，在选定区域内打一束直径很小的标记光，来驱动该区域内的原子跃迁到探测光探测到的能级，从而完成对选定区域内冷原子的标记，所述的标记光是由所述的再抽运光(1)和偏振光(2)构成的，所述的再抽运光(1)和偏振光(2)是具有相同偏振的圆偏振光，可以驱动标记光区域内的原子跃迁到特定的磁子能级上，为后面的无损探测做准备；
③标记和过滤原子中较冷的部分：
标记和过滤较冷部分原子的方法分为两种：
第一种：当标记过程完成后，较热的原子会先于较冷的原子离开该区域，而待在探测光区域内的标记原子会随着时间的推移变得越来越冷，从而实现较冷原子的标记与过滤；因此通过控制标记和探测过程之间原子的自由扩散时间，就可以过滤出不同速度等级的原子系综；
第二种:在标记过程中，将所述的标记光功率保持在一个相对较低的水平，则原子需要几毫秒或者更长的时间才能被正确地发送到目标能级，在给定标记光宽度的情况下，慢速的原子会获取更长的相互时间跃迁到目标能级，慢速原子会跃迁到目标能级，而快速原子仍然停留在原先能级上，从而实现较冷原子的标记与过滤；因此通过控制标记光功率和标记时间，就可以过滤出不同速度等级的原子系综；
④对过滤的较冷原子进行快速无损的冷原子温度测量：
调整所述的探测光(3)的频率稳定性和功率稳定性，使探测光(3)的长期频率和功率起伏分别优于100kHz和0.03％；
过滤后，开启持续时间小于1ms的探测光(3)脉冲，利用在所述的探测光(3)方向透过冷原子区域(8)设置的光强探测器(9)测量所述的探测光(3)的光强，然后根据所述的探测光(3)光强的变化，并利用下列公式，就可以计算出过滤的较冷原子的温度T：
其中，Iabsorb是探测光(3)的透射光强，Constant是常数，T是冷原子温度，d是探测光(3)的直径，Rl是标记光的半径，m是原子质量，kB是玻尔兹曼常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的标记光是由所述的再抽运光(1)和偏振光(2)组成，但当它们遇到冷原子时，具有相同的光斑大小和相同光束路径。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的探测光(3)是与所述的标记光具有相同的光束路径和相同偏振的圆偏振光，探测光(3)的光斑要远大于标记光的光斑。
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