CN117253643A - 实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法。该系统包括光源模块、捕获光模块、移频模块、锁频模块、锁腔模块及真空腔模块。真空腔模块包括在垂直于光传输方向的平面内垂直放置的第一和第二F‑P腔及光悬浮纳米微粒。光源模块用于提供窄线宽激光。捕获光模块用于产生具有频率分离且偏振相互垂直的两束捕获光并合束输入至真空腔体中形成紧聚焦光阱，用于捕获纳米微粒。移频模块用于对激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为锁频模块和锁腔模块的输入激光。锁频模块用于利用锁频技术将移频后的激光频率锁定在第一F‑P腔的共振频率处。锁腔模块用于将第二F‑P腔的腔长锁定于锁频激光进行过移频的频率处。
Description
技术领域
本申请涉及腔冷却技术领域，尤其涉及一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法。
背景技术
真空光镊，也称真空光阱，是光镊技术在真空环境中发展而来的一种技术，即利用聚焦激光构建光镊系统在真空环境下悬浮微纳尺寸的微粒，将其束缚在焦点附近区域，形成敏感外场信息的谐振子。此类真空光镊系统中的谐振子不仅能够摆脱机械固连，规避传统谐振子的机械耗散问题，也能通过真空环境实现与外界热环境的良好隔离，大幅度降低系统与环境的耦合，减弱环境因素带来的退相干效应，因此，在精密测量和宏观量子态等研究方面具有独特的优势。目前，在实验室环境中，室温下真空光镊传感系统已经实现了10- 21N/Hz1/2量级的力学探测灵敏度，对加速度和力矩的测量精度也分别达到了10-9g和10- 29N·m/ Hz1/2量级，在精密测量领域中展现了前所未有的精度和极大的发展潜力。在宏观量子态研究方面，近年来人们利用真空光镊系统成功将纳米微粒的质心运动在室温下冷却到了量子基态，即声子数＜1。该研究成果表明真空光镊系统具有在室温下制备包含数十亿个原子的纳米微粒的宏观量子叠加态的潜力，这使得真空光镊系统成为人们探索经典-量子边界问题的重要工具。
腔冷却技术是实现介观微粒量子基态冷却的强有力技术手段，其原理是红失谐的捕获光经由纳米微粒发生拉曼散射，其相干散射光与高精度F-P（Fabry–Pérot，法布里-珀罗谐振）腔的腔场发生线性耦合，利用F-P腔谐振透射特性增强用于制冷的反斯托克斯过程，抑制导致加热的斯托克斯过程，从而实现纳米微粒质心运动的量子基态冷却。
利用腔冷却技术实现纳米微粒量子基态冷却的必要条件是捕获光场和高精细度的F-P腔保持恒定的红失谐，红失谐的频率为纳米微粒的谐振频率（约为200kHz）。目前实验上人们利用PDH（Pound-Drever-Hall）锁频技术将捕获激光的频率锁定在用于冷却的高精细度F-P腔上，实现了纳米微粒的双轴量子基态冷却，其具体技术原理如图1所示，利用一个F-P腔与被一种捕获光捕获的纳米微粒在x轴与y轴方向运动发生光机耦合，因此，纳米微粒x轴与y轴两个轴向的运动谐振频率必须同时处于F-P腔的透射谱线内，即和必须同时处于该F-P腔的透射谱线内，其中，/>为该捕获光的频率，/>为纳米微粒在x轴方向上的谐振频率，/>为纳米微粒在y轴方向上的谐振频率，并且同时满足可分辨边带冷却的条件，才可以通过高精细度F-P腔的谐振增强特性，同时增强x轴和y轴用于冷却的反斯托克斯过程，并抑制各自方向上的斯托克斯过程，达到双轴基态冷却的目的。
然而，目前技术要实现纳米微粒的双轴基态冷却必须满足以下三点条件：
①x和y两轴需在满足可分辨边带冷却条件的同时，保证二者的反斯托克斯光子的频率必须同时处于高精细度F-P腔的透射谱线内，即必须满足；
②为了避免腔模和机械模杂化而抑制冷却效率，系统必须处于弱耦合状态，即；
③x、y轴的谐振频率和/>的间隔必须足够大，满足/>。
其中，是F-P腔的角频率线宽，/>是沿着i方向上的光机耦合率，i方向代表x轴和y轴方向中的一个。
只有满足上述三点要求，双轴才能被同时冷却至量子基态。由此可见，量子基态冷却实验参数受限，且为了同时满足双轴的基态冷却，难以保证双轴各自的耦合率最大，也就是两个轴的冷却效果必须折中。另外，因为耦合率不能工作在最佳值，所以对系统真空度的要求也更高，以确保背景气体造成的加热率低于光机耦合带来的冷却率。
发明内容
本申请的目的在于提供一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法，可以使得两个自由度方向上的基态冷却分别由两个独立的高精细度的F-P腔实现。
本申请的一个方面提供一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统。所述系统包括光源模块、捕获光模块、移频模块、锁频模块、锁腔模块及真空腔模块。其中，所述真空腔模块包括真空腔体、以及位于真空腔体中的第一F-P腔、第二F-P腔及光悬浮纳米微粒，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔分别沿着相互垂直的第一方向和第二方向放置，并且，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔在垂直于光传输方向的平面内放置。所述光源模块用于为所述捕获光模块和所述移频模块提供窄线宽的激光。所述捕获光模块用于产生具有频率分离且偏振相互垂直的第一捕获光和第二捕获光并合束输入至所述真空腔体中形成紧聚焦光阱，用于捕获所述纳米微粒。所述移频模块用于对所述激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为所述锁频模块和所述锁腔模块的输入激光。所述锁频模块用于利用锁频技术将移频后的激光频率锁定在所述第一F-P腔的共振频率处。所述锁腔模块用于将所述第二F-P腔的腔长锁定于锁频激光进行过移频的频率处。
进一步地，所述真空腔模块包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和压电驱动器，其中，所述第一腔镜和所述第二腔镜组成所述第一F-P腔，所述第三腔镜和所述第四腔镜组成所述第二F-P腔，所述压电驱动器与所述第四腔镜连接，用于驱动所述第四腔镜动作以改变所述第二F-P腔的腔长。
进一步地，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔的透射峰的线宽分别小于所述纳米微粒在所述第一方向和所述第二方向的谐振频率。
进一步地，所述第一F-P腔的共振频率为，所述第二F-P腔的共振频率为/>，其中，/>为所述第一捕获光的频率，/>为所述纳米微粒在所述第一方向上的谐振频率，/>为所述第二捕获光的频率，/>为所述纳米微粒在所述第二方向上的谐振频率。
进一步地，所述第一方向包括x轴方向和y轴方向中的其中一个方向，所述第二方向包括x轴方向和y轴方向中的另一个方向。
进一步地，所述真空腔模块还包括三轴位移台，通过所述三轴位移台来调节所述纳米微粒在所述第一F-P腔和所述第二F-P腔中的位置。
进一步地，所述光源模块包括激光器、第一半波片及第一偏振片，所述激光器用于产生所述激光，所述第一半波片和所述第一偏振片配合用于将所述激光分成两束，分别提供至所述捕获光模块和所述移频模块。
进一步地，所述捕获光模块包括第二半波片、第二偏振分束棱镜、第一反射镜、第一声光调制器、第二反射镜、合束棱镜、第三半波片和光纤耦合系统，其中，所述第二半波片和所述第二偏振分束棱镜配合用于将来自所述光源模块的一束激光分成两束，其中的一束激光进入到所述合束棱镜，另一束激光经过所述第一反射镜的反射进入到所述第一声光调制器中进行移频，所述第二反射镜用于将移频后的激光反射至所述合束棱镜进行合束，合束后的激光再分别通过所述第三半波片进入所述光纤耦合系统中进行光束合束整形。
进一步地，所述移频模块包括电光调制器、F-P腔滤波器、第四半波片、第三偏振分束棱镜和第二声光调制器，其中，所述电光调制器用于对来自所述光源模块的激光进行调制、移频，并产生用于锁频和锁腔的调制边带；所述F-P腔滤波器用于滤出移频后的带有所述调制边带的激光；所述第四半波片和所述第三偏振分束棱镜配合用于将一束激光分成两束，其中一束进入到所述锁频模块，另一束经过所述第二声光调制器进行移频后进入到所述锁腔模块。
进一步地，所述电光调制器用于将激光频率移动约一个自由光谱范围。
进一步地，所述锁频模块包括第三反射镜、第四反射镜、第四偏振分束棱镜、第一四分之一波片和第一光电探测器，其中，来自所述移频模块中的所述第三偏振分束棱镜的光分别经过所述第三反射镜和所述第四反射镜的反射后透射通过所述第四偏振分束棱镜，透射光经所述第一四分之一波片入射至所述真空腔模块中的所述第二腔镜，并被反射再次经过所述第一四分之一波片并经所述第四偏振分束棱镜进入到所述第一光电探测器中。
进一步地，所述锁频模块用基于所述第一光电探测器探测到的锁频误差信号来产生第一控制信号并作用于所述激光器，用于改变所述激光器出射的激光频率。
进一步地，所述锁腔模块包括第五反射镜、第六反射镜、第五偏振分束棱镜、第二四分之一波片和第二光电探测器，其中，来自所述移频模块中的所述第二声光调制器移频后的光分别经过第五反射镜和所述第六反射镜的反射后透射经过所述第五偏振分束棱镜，透射光经所述第二四分之一波片入射至所述真空腔模块中的所述第四腔镜，并被反射再次经过所述第二四分之一波片并经所述第五偏振分束棱镜进入到所述第二光电探测器中。
进一步地，所述锁腔模块用基于所述第二光电探测器探测到的锁腔误差信号来产生第二控制信号并作用于所述压电驱动器上，用于改变所述第二F-P腔的腔长以将其锁定在移频后的激光频率上。
进一步地，通过调节所述第一声光调制器和第二声光调制器的射频频率使得用于锁定腔长的激光频率与所述纳米微粒沿所述第二F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子和所述第二F-P腔共振。
本申请的另一个方面提供一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法。所述方法包括：步骤S1：利用紧聚焦光阱制备纳米微粒的悬浮状态；步骤S2：对激光器产生的激光进行移频、调制和分光；步骤S3：通过调节所述激光器的频率将移频后的激光频率锁定在第一F-P腔的共振频率处；步骤S4：通过调节第二F-P腔的腔长，将所述第二F-P腔的共振频率锁定于锁频激光进行过移频的频率处，其中，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔分别沿着相互垂直的第一方向和第二方向放置，并且，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔在垂直于光传输方向的平面内放置；以及步骤S5：移动悬浮的纳米微粒至所述第一F-P腔和所述第二F-P腔的腔轴交点附近，以实现双轴量子基态冷却。
进一步地，所述步骤S5还包括：利用所述第一F-P腔和所述第二F-P腔分别与被光阱捕获的纳米微粒在所述第一方向和所述第二方向上的运动发生光机耦合，以实现双轴量子基态冷却。
进一步地，步骤S1中的用于制备悬浮的纳米微粒的紧聚焦光阱的光场由频率分离且偏振相互垂直的两束光合束而成。
进一步地，所述步骤S2包括：对所述激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为激光频率锁定和所述第二F-P腔的腔长锁定的输入激光。
进一步地，所述步骤S3还包括：用于捕获所述纳米微粒的激光频率相较锁频激光红失谐，使得所述纳米微粒沿所述第一F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子与所述第一F-P腔共振。
进一步地，所述步骤S4还包括：用于捕获所述纳米微粒的激光频率相较锁腔激光红失谐，使得所述纳米微粒沿所述第二F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子与所述第二F-P腔共振。
进一步地，所述步骤S5包括：通过三轴位移台移动被光阱捕获的所述纳米微粒至所述第一F-P腔和所述第二F-P腔的腔轴交点附近，通过细调所述纳米微粒的位置，来调节所述纳米微粒分别与所述第一F-P腔及所述第二F-P腔的耦合强度，以实现双轴量子基态冷却。
本申请一个或多个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法至少能够取得以下有益技术效果：
一、本申请实现了纳米微粒的双轴基态冷却，可以使得两个自由度方向上的基态冷却分别由两个独立的高精细度的F-P腔来实现，因此，不再受限于纳米微粒不同自由度上谐振频率的简并特性，本申请的方案具有更强的实用性；
二、本申请可以增强纳米微粒双轴谐振运动和腔模的耦合，从而大幅度提升光机耦合效率，从而适当降低实现纳米微粒双轴基态冷却的真空条件；
三、本申请可应用于纳米微粒的量子基态冷却实验系统中，同时在宏观量子态实验和宏观物质波干涉等前沿领域具有重要应用价值。同时，也有助于基于基态纳米微粒的量子精密传感实验的发展。
附图说明
图1为现有技术中实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法原理图。
图2为本申请的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法原理图。
图3为本申请一个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法的流程图。
图4为本申请一个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统的示意性结构框图。
图5为图4中的真空腔模块的结构示意图。
图6为图4所示的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统的一个具体示例的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供了一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法。本申请的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法提供了两个捕获光，即第一捕获光和第二捕获光，以及在垂直光传输方向的平面内垂直安放的两个具有高精细度的F-P腔，即第一F-P腔和第二F-P腔，利用第一F-P腔和第二F-P腔分别与被第一捕获光和第二捕获光紧聚焦光阱捕获的纳米微粒的相干散射光发生耦合，第一F-P腔和第二F-P腔的每个腔都实现与纳米微粒的单个轴运动的耦合率最大，从而实现纳米微粒的双轴的独立量子基态冷却。
图2揭示了本申请的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法原理图。如图2所示，用于捕获纳米微粒的捕获光由两束频率分离且偏振相互垂直的光合束而成，即第一捕获光和第二捕获光。考虑到纳米微粒的偶极散射特性，其将在相互垂直的方向上分别发生两束捕获光各自激发的拉曼散射，产生可用于冷却的反斯托克斯边带和起加热作用的/>边带，其中，/>，/>，其中，/>代表第m捕获光的频率，/>代表纳米微粒在i方向上的谐振频率。引入两个相互垂直安置的具有高精细度的F-P腔，即第一F-P腔和第二F-P腔，使之分别与纳米微粒不同方向上的反斯托克斯边带共振，利用F-P腔的谐振增强特性增强用于冷却的反斯托克斯过程，抑制起到加热作用的斯托克斯过程。
第一F-P腔的共振频率为，第二F-P腔的共振频率为/>，其中，为第一捕获光的频率，/>为纳米微粒在第一方向上的谐振频率，/>为第二捕获光的频率，/>为纳米微粒在第二方向上的谐振频率。第一方向可以包括x轴方向和y轴方向中的其中一个方向，第二方向可以包括x轴方向和y轴方向中的另一个方向。在本申请中，以第一方向为x轴方向，第二方向为y轴方向为例。例如，在图2中，第一F-P腔的共振频率为，第二F-P腔的共振频率为/>，其中，/>为纳米微粒在x轴方向上的谐振频率，/>为纳米微粒在y轴方向上的谐振频率。
本申请的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法的实现的重点在于：①第一F-P腔和第二F-P腔的透射峰的线宽分别小于纳米微粒在第一方向（例如x轴方向）和第二方向（例如y轴方向）的谐振频率，即，/>，其中，/>和/>分别为第一F-P腔和第二F-P腔的角频率线宽；②第一F-P腔和第二F-P腔与纳米微粒x轴和y轴方向散射的反斯托克斯光子的频率始终维持共振。
为了保证上述条件①成立，需设计F-P腔的腔镜的腔长和反射率，并通过捕获光功率控制纳米微粒的谐振频率。
F-P腔的角频率线宽，自由光谱范围/>，精细度，其中，式中/>为光速，/>为组成F-P腔的两个腔镜之间光传播介质的折射率，/>则为F-P腔的腔长，/>和/>分别为组成F-P腔的两个腔镜的能量反射率。
为了保证上述条件②成立，本申请利用锁频技术将激光频率移频后锁到第一F-P腔的共振频率处，作为该系统的基准频率，然后利用锁腔技术将第二F-P腔的腔长锁定于上述锁频激光进行过移频的频率处。这样就可以保证整个系统中的激光频率都以第一F-P腔的共振频率为基准，相对频率差稳定。
上述移频需满足：①产生带有调制边带的可用于锁定激光频率和锁定F-P腔的腔长的激光；②相对捕获光移动约一个F-P腔的自由光谱范围，避免腔场和捕获激光经由纳米微粒散射光的干涉效应；③保证捕获光与各自F-P腔的共振频率红失谐纳米微粒在相应自由度上的谐振频率。
图3揭示了本申请一个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法的流程图。如图3所示，本申请一个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法可以包括步骤S1至步骤S5。
步骤S1：利用紧聚焦光阱制备纳米微粒的悬浮状态。
步骤S1中的用于制备悬浮的纳米微粒的紧聚焦光阱的光场由频率分离且偏振相互垂直的两束光合束而成，确保纳米微粒沿x轴和y轴方向的散射光可分别与第一F-P腔和第二F-P腔发生强耦合。
步骤S2：对激光器产生的激光进行移频、调制和分光。
在步骤S2中，对激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为下面步骤S3和步骤S4中激光频率锁定和第二F-P腔的腔长锁定的输入激光，同时也避免腔场和捕获激光经由纳米微粒散射光的干涉效应。
步骤S3：通过调节激光器的频率将移频后的激光频率锁定在第一F-P腔的共振频率处。
在步骤S3中，用于捕获纳米微粒的激光频率相较锁频激光红失谐，使得纳米微粒沿第一F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子与第一F-P腔共振。
步骤S4：通过调节第二F-P腔的腔长，将第二F-P腔的共振频率锁定于锁频激光进行过移频的频率处，其中，第一F-P腔和第二F-P腔分别沿着相互垂直的第一方向和第二方向放置，并且，第一F-P腔和第二F-P腔在垂直于光传输方向的平面内放置。
在步骤S4中，用于捕获纳米微粒的激光频率相较锁腔激光红失谐，使得纳米微粒沿第二F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子与第二F-P腔共振。
步骤S5：移动悬浮的纳米微粒至第一F-P腔和第二F-P腔的腔轴交点附近，以实现双轴量子基态冷却。
在步骤S5中，利用在垂直光传输方向的平面内垂直安放的具有高精细度的第一F-P腔和第二F-P腔分别与被光阱捕获的纳米微粒在第一方向和第二方向上的运动发生光机耦合，从而达到双轴量子基态冷却的目的。
在步骤S5中，可以通过三轴位移台移动被光阱捕获的纳米微粒至第一F-P腔和第二F-P腔的腔轴交点附近，通过细调纳米微粒的位置，来调节纳米微粒分别与第一F-P腔及第二F-P腔的耦合强度，从而实现双轴量子基态冷却。
本申请实施例还提供了一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统1，用于实现上面所述的一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法。图4揭示了本申请一个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统1的示意性结构框图。在图4中，黑色箭头表示光束传输方向，虚线箭头表示电控信号传输方向。如图4所示，本申请一个实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统1包括光源模块10、捕获光模块20、移频模块30、锁频模块40、锁腔模块50及真空腔模块60。
真空腔模块60整体放置在高真空环境中。图5揭示了图4中的真空腔模块60的结构示意图。如图5所示，本申请的真空腔模块60包括真空腔体607、以及位于真空腔体607中的第一F-P腔61、第二F-P腔62及光悬浮纳米微粒606，第一F-P腔61和第二F-P腔62分别沿着相互垂直的第一方向和第二方向放置，并且，第一F-P腔61和第二F-P腔62在垂直于光传输方向的平面内放置。其中，第一方向可以包括x轴方向和y轴方向中的其中一个方向，第二方向可以包括x轴方向和y轴方向中的另一个方向。
在一些实施例中，真空腔模块60包括第一腔镜601、第二腔镜602、第三腔镜603、第四腔镜604和压电驱动器605，其中，第一腔镜601和第二腔镜602组成高精细度的第一F-P腔61，第三腔镜603和第四腔镜604组成高精细度的第二F-P腔62，压电驱动器605与第四腔镜604连接，用于驱动第四腔镜604动作以改变第二F-P腔62的腔长。
真空腔模块60中的各个腔镜对于捕获光波长镀有增透膜和高反膜，可形成具有高精细度的稳定F-P谐振腔。
真空腔模块60还包括三轴位移台（未图示），通过三轴位移台来调节纳米微粒606在第一F-P腔61和第二F-P腔62中的位置，从而优化纳米微粒606与F-P腔的耦合强度。
此外，本申请实施例的真空腔模块60中只标出了用于双轴腔冷却的关键部件，并未列出用于光镊捕获和探测的机械机构、光学元件，真空规、用于抽真空的泵组以及一些腔内结构件等结构，这些不作为限制本专利申请保护的范围的依据。
继续参照图4，光源模块10可以为捕获光模块20和移频模块30提供窄线宽低噪声高稳定性的激光。
捕获光模块20可以用来产生具有频率分离且偏振相互垂直的第一捕获光和第二捕获光并合束输入至真空腔体607中形成紧聚焦光阱，用于捕获纳米微粒606，确保纳米微粒606在相互垂直的方向产生拉曼散射，生成反斯托克斯光子和各自方向上的F-P腔共振。
移频模块30可以用来对激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为锁频模块40和锁腔模块50的输入激光，同时也避免腔场和捕获激光经由纳米微粒606散射光的干涉效应。
移频模块30具有以下几点功能：①将激光频率移动由第一腔镜601和第二腔镜602组成的第一F-P腔61的一个自由光谱范围，避免捕获光和锁频光干涉；②产生PDH锁频边带，用于后续的PDH锁频和锁腔环路；③将带有锁频边带的激光分为两束，然后对其中一束再进行移频，确保锁频光和锁腔光频率独立，方便调节；④保证捕获光与各自F-P腔的共振频率红失谐纳米微粒在相应自由度上的谐振频率。
锁频模块40可以利用锁频技术将移频后的激光频率锁定在第一F-P腔61的共振频率处。
锁腔模块50可以通过压电驱动器605来驱动第二F-P腔62的第四腔镜604动作以改变第二F-P腔62的腔长，将第二F-P腔62的腔长锁定于锁频激光进行过移频的频率处，使得纳米微粒606沿第二方向上发生拉曼散射产生的反斯托克斯光子和第二F-P腔62共振。
图6为图4所示的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统1的一个具体示例的结构示意图。如图6所示，在一些实施例中，光源模块10可以包括激光器101、第一半波片102及第一偏振片103。激光器101可以用来产生窄线宽低噪声高稳定性的激光。第一半波片102和第一偏振片103可以配合用来将激光分成两束，分别提供至捕获光模块20和移频模块30。
在一些实施例中，捕获光模块20可以包括第二半波片201、第二偏振分束棱镜202、第一反射镜203、第一声光调制器204、第二反射镜205、合束棱镜206、第三半波片207和光纤耦合系统208。其中，第二半波片201和第二偏振分束棱镜202可以配合用来将来自光源模块10的一束激光分成两束，其中的一束激光进入到合束棱镜206，另一束激光经过第一反射镜203的反射进入到第一声光调制器204中进行移频。第二反射镜205可以用来将移频后的激光反射至合束棱镜206。通过第二偏振分束棱镜202的一束激光和经过第一声光调制器204移频后的激光在合束棱镜206中进行合束，合束后的激光再分别通过第三半波片207进入光纤耦合系统208中进行光束整形，使两束激光的模式完美重叠，之后输入至真空腔模块60的真空腔内形成紧聚焦光阱，用于捕获纳米微粒606。
在一些实施例中，移频模块30可以包括电光调制器301、F-P腔滤波器302、第四半波片303、第三偏振分束棱镜304和第二声光调制器305。其中，电光调制器301可以用来对来自光源模块10的激光进行调制、移频，并产生用于锁频和锁腔的调制边带。电光调制器301可以用来将激光频率移动一个自由光谱范围。F-P腔滤波器302可以滤出移频后的带有调制边带的激光。第四半波片303和第三偏振分束棱镜304可以配合用来将一束激光分成两束，其中一束进入到锁频模块40，另一束经过第二声光调制器305进行移频后进入到锁腔模块50。
在一些实施例中，锁频模块40可以包括第三反射镜401、第四反射镜402、第四偏振分束棱镜403、第一四分之一波片404和第一光电探测器405。其中，来自移频模块30中的第三偏振分束棱镜304的光分别经过第三反射镜401和第四反射镜402的反射后透射经过第四偏振分束棱镜403。透射光经第一四分之一波片404入射至真空腔模块60中的第二腔镜602，并被反射再次经过第一四分之一波片404后经第四偏振分束棱镜403进入到第一光电探测器405中。第一光电探测器405可以用来探测锁频误差信号。
如图4所示，在一些实施例中，锁频模块40基于第一光电探测器405探测到的锁频误差信号来产生第一控制信号并作用于激光器101，用来对激光器101进行控制，可以用来改变激光器101出射的激光频率。
在一些实施例中，锁腔模块50可以包括第五反射镜501、第六反射镜502、第五偏振分束棱镜503、第二四分之一波片504和第二光电探测器505。其中，来自移频模块30中的第二声光调制器305移频后的光分别经过第五反射镜501和第六反射镜502的反射后透射经过第五偏振分束棱镜503。透射光经第二四分之一波片504入射至真空腔模块60中的第四腔镜604，并被反射再次经过第二四分之一波片504后经第五偏振分束棱镜503进入到第二光电探测器505中。第二光电探测器505可以用来探测锁腔误差信号。
如图4所示，在一些实施例中，锁腔模块50基于第二光电探测器505探测到的锁腔误差信号来产生第二控制信号并作用于压电驱动器605上，可以通过对压电驱动器605的控制来改变第二F-P腔62的腔长以将其锁定在移频后的激光频率上。
本申请实施例的用于锁频的锁频误差信号和用于锁腔的锁腔误差信号可以均由PDH稳频法产生。当然，本申请实施例的锁腔模块50和锁频模块40并不局限于误差信号的生成方法，PDH法和边频锁定法均可生成用于锁定的误差信号。
本申请实施例的用于产生锁频和锁腔误差信号的偏振分束棱镜和四分之一波片组合（即第四偏振分束棱镜403和第一四分之一波片404，第五偏振分束棱镜503和第二四分之一波片504）也可用法拉第旋光器替代。
上述方法和系统中并未列出光镊系统中通用的探测方案，包括四象限探测法，D型镜和平衡探测器配合，零差法，外差法等探测方案，这些不作为限制本专利申请保护的范围的依据。
在一些实施例中，通过调节第一声光调制器204和第二声光调制器305的射频频率可以使得用于锁定腔长的激光频率与纳米微粒606沿第二F-P腔62放置方向上散射的反斯托克斯光子和第二F-P腔62共振，可实现强线性耦合。
本申请的实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法及系统将被光镊捕获的纳米微粒606通过三轴位移台移动至两个垂直放置的具有高精细度的F-P腔结构中心附近，通过控制捕获光的偏振和频率，使x轴与y轴方向的散射光与沿各自方向放置的F-P腔耦合，利用相干散射实现两个方向上的量子基态冷却。
本申请实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统1及其方法至少能够取得以下有益技术效果：
一、本申请实现了纳米微粒606的双轴基态冷却，不再受限于纳米微粒606不同自由度上谐振频率的简并特性，解决了现有技术方案中的局限性，可以使得两个自由度方向上的基态冷却分别由两个独立的高精细度的F-P腔来实现，因此，对x轴和y轴谐振频率的简并性无特殊要求，因此，的条件被解放，本申请方案的实用性更强；
二、本申请可以增强纳米微粒606双轴谐振运动和腔模的耦合，从而大幅度提升光机耦合效率，从而适当降低实现纳米微粒双轴基态冷却的真空条件；
三、本申请可应用于纳米微粒606的量子基态冷却实验系统中，同时在宏观量子态实验和宏观物质波干涉等前沿领域具有重要应用价值。同时，也有助于基于基态纳米微粒606的量子精密传感实验的发展。
以上对本申请实施例所提供的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统及其方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (22)
1.一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的系统，其特征在于：包括光源模块、捕获光模块、移频模块、锁频模块、锁腔模块及真空腔模块，其中，
所述真空腔模块包括真空腔体、以及位于真空腔体中的第一F-P腔、第二F-P腔及光悬浮纳米微粒，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔分别沿着相互垂直的第一方向和第二方向放置，并且，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔在垂直于光传输方向的平面内放置；
所述光源模块用于为所述捕获光模块和所述移频模块提供窄线宽的激光；
所述捕获光模块用于产生具有频率分离且偏振相互垂直的第一捕获光和第二捕获光并合束输入至所述真空腔体中形成紧聚焦光阱，用于捕获所述纳米微粒；
所述移频模块用于对所述激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为所述锁频模块和所述锁腔模块的输入激光；
所述锁频模块用于利用锁频技术将移频后的激光频率锁定在所述第一F-P腔的共振频率处；
所述锁腔模块用于将所述第二F-P腔的腔长锁定于锁频激光进行过移频的频率处。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述真空腔模块包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和压电驱动器，其中，所述第一腔镜和所述第二腔镜组成所述第一F-P腔，所述第三腔镜和所述第四腔镜组成所述第二F-P腔，所述压电驱动器与所述第四腔镜连接，用于驱动所述第四腔镜动作以改变所述第二F-P腔的腔长。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第一F-P腔和所述第二F-P腔的透射峰的线宽分别小于所述纳米微粒在所述第一方向和所述第二方向的谐振频率。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第一F-P腔的共振频率为 ，所述第二F-P腔的共振频率为 />，其中， />为所述第一捕获光的频率， />为所述纳米微粒在所述第一方向上的谐振频率， />为所述第二捕获光的频率， />为所述纳米微粒在所述第二方向上的谐振频率。
5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于：所述第一方向包括x轴方向和y轴方向中的其中一个方向，所述第二方向包括x轴方向和y轴方向中的另一个方向。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述真空腔模块还包括三轴位移台，通过所述三轴位移台来调节所述纳米微粒在所述第一F-P腔和所述第二F-P腔中的位置。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述光源模块包括激光器、第一半波片及第一偏振片，所述激光器用于产生所述激光，所述第一半波片和所述第一偏振片配合用于将所述激光分成两束，分别提供至所述捕获光模块和所述移频模块。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述捕获光模块包括第二半波片、第二偏振分束棱镜、第一反射镜、第一声光调制器、第二反射镜、合束棱镜、第三半波片和光纤耦合系统，其中，所述第二半波片和所述第二偏振分束棱镜配合用于将来自所述光源模块的一束激光分成两束，其中的一束激光进入到所述合束棱镜，另一束激光经过所述第一反射镜的反射进入到所述第一声光调制器中进行移频，所述第二反射镜用于将移频后的激光反射至所述合束棱镜进行合束，合束后的激光再分别通过所述第三半波片进入所述光纤耦合系统中进行光束合束整形。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述移频模块包括电光调制器、F-P腔滤波器、第四半波片、第三偏振分束棱镜和第二声光调制器，其中，所述电光调制器用于对来自所述光源模块的激光进行调制、移频，并产生用于锁频和锁腔的调制边带；所述F-P腔滤波器用于滤出移频后的带有所述调制边带的激光；所述第四半波片和所述第三偏振分束棱镜配合用于将一束激光分成两束，其中一束进入到所述锁频模块，另一束经过所述第二声光调制器进行移频后进入到所述锁腔模块。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述电光调制器用于将激光频率移动约一个自由光谱范围。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述锁频模块包括第三反射镜、第四反射镜、第四偏振分束棱镜、第一四分之一波片和第一光电探测器，其中，来自所述移频模块中的所述第三偏振分束棱镜的光分别经过所述第三反射镜和所述第四反射镜的反射后透射通过所述第四偏振分束棱镜，透射光经所述第一四分之一波片入射至所述真空腔模块中的所述第二腔镜，并被反射再次经过所述第一四分之一波片并经所述第四偏振分束棱镜进入到所述第一光电探测器中。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于：所述锁频模块用基于所述第一光电探测器探测到的锁频误差信号来产生第一控制信号并作用于所述激光器，用于改变所述激光器出射的激光频率。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于：所述锁腔模块包括第五反射镜、第六反射镜、第五偏振分束棱镜、第二四分之一波片和第二光电探测器，其中，来自所述移频模块中的所述第二声光调制器移频后的光分别经过第五反射镜和所述第六反射镜的反射后透射通过第五偏振分束棱镜，透射光经所述第二四分之一波片入射至所述真空腔模块中的所述第四腔镜，并被反射再次经过所述第二四分之一波片并经所述第五偏振分束棱镜进入到所述第二光电探测器中。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于：所述锁腔模块用基于所述第二光电探测器探测到的锁腔误差信号来产生第二控制信号并作用于所述压电驱动器上，用于改变所述第二F-P腔的腔长以将其锁定在移频后的激光频率上。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于：通过调节所述第一声光调制器和第二声光调制器的射频频率使得用于锁定腔长的激光频率与所述纳米微粒沿所述第二F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子和所述第二F-P腔共振。
16.一种实现介观微粒双轴量子基态冷却的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：利用紧聚焦光阱制备纳米微粒的悬浮状态；
步骤S2：对激光器产生的激光进行移频、调制和分光；
步骤S3：通过调节所述激光器的频率将移频后的激光频率锁定在第一F-P腔的共振频率处；
步骤S4：通过调节第二F-P腔的腔长，将所述第二F-P腔的共振频率锁定于锁频激光进行过移频的频率处，其中，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔分别沿着相互垂直的第一方向和第二方向放置，并且，所述第一F-P腔和所述第二F-P腔在垂直于光传输方向的平面内放置；
步骤S5：移动悬浮的纳米微粒至所述第一F-P腔和所述第二F-P腔的腔轴交点附近，以实现双轴量子基态冷却。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述步骤S5还包括：
利用所述第一F-P腔和所述第二F-P腔分别与被光阱捕获的纳米微粒在所述第一方向和所述第二方向上的运动发生光机耦合，以实现双轴量子基态冷却。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于：步骤S1中的用于制备悬浮的纳米微粒的紧聚焦光阱的光场由频率分离且偏振相互垂直的两束光合束而成。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
对所述激光进行调制和移频，产生带有调制边带的两束激光，分别作为激光频率锁定和所述第二F-P腔的腔长锁定的输入激光。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：
用于捕获所述纳米微粒的激光频率相较锁频激光红失谐，使得所述纳米微粒沿所述第一F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子与所述第一F-P腔共振。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述步骤S4还包括：
用于捕获所述纳米微粒的激光频率相较锁腔激光红失谐，使得所述纳米微粒沿所述第二F-P腔放置方向上散射的反斯托克斯光子与所述第二F-P腔共振。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述步骤S5包括：
通过三轴位移台移动被光阱捕获的所述纳米微粒至所述第一F-P腔和所述第二F-P腔的腔轴交点附近，通过细调所述纳米微粒的位置，来调节所述纳米微粒分别与所述第一F-P腔及所述第二F-P腔的耦合强度，以实现双轴量子基态冷却。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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