CN1175322C - 原子束像面全息记录装置 - Google Patents

Abstract

一种原子束像面全息记录装置，适用于测量重力场、电磁场等能够引起原子束位相变化的物理量。包括在真空外壳内，从原子束源发射的原子束经过垂直于原子束流前进方向上并列置放的第一微波带片和第二微波带片。在第一微波带片与原子束源之间的原子束流中置放待测样品。通过待测样品和第一微波带片的物束与通过第二微波带片的参考束，在置于微波带片像面上的微通道板上产生干涉信号，并由微通道板产生电荷，通过探测器至计算机进行数字重构。与在先技术相比，本发明具有体积小、高灵敏度、高分辨率和较好的成像质量。

Description

原子束像面全息记录装置

技术领域：

本发明是关于一种原子束像面全息记录装置，特别涉及利用双波带片记录原子全息图的一种装置，主要用于测量重力场、电磁场等能够引起原子束位相变化的物理量。

背景技术：

原子光学已成为一门新的学科，原子束的反射、聚焦、成像、衍射和干涉，已在许多实验室获得成功。众所周知，全息术是一种两步成像过程，第一步是记录，即以干涉条纹的形式将物体波面记录下来。第二步是重构，既可以用原记录光或可见光进行光学重现，也可以用计算机进行数字重现。在数字重现过程中，可以通过某些特殊的算法将记录过程中引进的各种像差消除掉。1996年Mokoto，Morinaga等人(参见在先技术[1]：Jun-ichi Fujita andShinji Matsui，Holographic Manipulation of a Cold Atomic Beam，PhysicalReview Letters，Vol.77，No.5，29，July，1996.)完成了一个实验，他们用计算机制作了一个二维全息图，然后用亚稳态Ne原子照明它，进行重现，获得了重现像。当然，从本质上讲，这还说不上是原子束全息装置，只不过是用了原子束来重现全息图。然而这是迄今为止人们在原子束全息术上的一个初步尝试，显示出原子束全息术的某些特有的优势，激起了人们极大的研究兴趣。是借鉴光学全息术，如激光像面全息术，将其原理应用于原子光学中。

激光像面全息术记录装置在光学全息领域已被广泛应用(参见在先技术[2]光学技术手册，<上>，机械工业出版社，北京1994年8月，P317)，它是通过成像系统，使待测样品的像位于全息干版上或附近，参考光斜入射，这样记录的全息图即为像面全息图。激光像面全息术装置如图1所示，主要由激光光源1，分束器2，反射镜3、6、8，被测物品4，成像透镜5和记录介质7组成。激光光源1经分束器2分成两束光，一束光为物光Wb，另一束光为参考光Cb，被测物品4经成像透镜5成实像在记录介质7上，参考光Cb和物光Wb在记录介质7上相遇，形成干涉条纹。

此激光像面全息术记录装置存在的缺点：

激光像面全息术记录装置所采用的照明光源是可见光波段，波长较长，因为分辨率的大小与波长成反比关系，因此激光像面全息术记录装置的分辨率比原子束照明的全息术要低得多。并且在某些特殊场合，激光像面全息术记录装置是无能为力的，如对重力场、电磁场的测量等。

中国科学院上海光学精密机械研究所发明人高鸿奕、陈建文、谢红兰、徐至展所提供的原子束干涉仪(见在先技术[3]：原子束干涉仪，申请号0131305417)装置如图2所示。它包括：在由外壳15构成的真空腔14内，置有原子束源9、波带片10、置于波带片10焦点处的针孔光阑13以及输出连接到计算机16上的接收器12，待测物品11放在针孔光阑13旁边的焦平面上。

原子束源9发射的近平行原子束照明一波带片10，在波带片10一级衍射焦点O处放置一小尺寸(直径为0.1毫米)的针孔光阑13，从针孔光阑13透射出的原子束作为参考束Gc，而从波带片10透射过来未经过待测样品11的平行束(零级波P₀)作为物束Gw，将待测物品11置于物束Gw与针孔光阑13在同一水平位置上，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和物束Gw间的夹角以及原子的德布罗意波长。干涉信息被接收器12接收并被转送到计算机16上，计算机再对其干涉全息图进行重构再现。

这种装置的不足之处在于，对原子束源的空间相干性要求高。

发明内容：

为克服上述在先技术中存在的缺点，本发明按照物质波衍射和干涉原理，把激光像面全息术的原理应用于原子光学中。提出一种原子束像面全息记录装置。本发明的记录装置能够测量电磁场、重力场等任何能引起原子束位相变化的物理量。

本发明的原子束像面全息记录装置包括：真空外壳15，在真空外壳15内置有原子束源9，在真空外壳15内垂直于原子束源9发射原子束流前进的方向上，并列地置放结构参数完全相同的第一微波带片17和第二微波带片18，在第一微波带片17与原子束源9之间的原子束流中置放待测样品11，在第一微波带片17的像面上置有微通道板19。微波带片17产生的电荷输进与计算机16相连的探测器20内。

本发明的原子束像面全息记录装置如上所述，包括置于真空外壳15内，从原子束源9发射的原子束，经过第一第二微波带片17、18，分成两束。待测样品11置于第一微波带片17与原子束源9之间的原子束流中。经过待测样品11的原子束作为物束Wb，物束Wb通过第一微波带片17，对待测样品11进行放大成像，像面位于微通道板19上。另一原子束经过第二微波带片18聚焦产生参考点源，其出射的原子束作为参考束Cb。物束Wb与参考束Cb相遇，在微通道板19上产生干涉条纹。微通道板19与探测器20相连。由于原子不带电荷，但由原子束源9发射的原子束流中的亚稳态Ne原子碰撞微通道板19，会产生电荷，被探测器20接收，探测器20的输出连接到计算机16上进行数字重构。如图3所示。

所说的第一、第二微波带片17、18的波带环数＞100。微波带片，因其直径小而得名，又称物镜波带片，可作为成像物镜。利用它的效率较高的一级衍射对焦点附近的待测样品11进行放大成像。微波带片17、18一般是用电子束制版制作的，其分辨率由波带片最外环宽度决定，而分辨率的高低会直接影响到波带片成像质量。微波带片17、18的成像符合单色透镜成像公式： $\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v},$ 其中f为微波带片17的焦距，u为物距即待测样品11到微波带片17的距离，v为像距即微波带片17到微通道板19的距离。

上述本发明装置也可以说主要包括两部分：原子束源9、全息图记录及重现系统也称为成像系统。原子束源9由亚稳态1S₃Ne^*、真空系统、磁光陷阱和准直光阑组成(参见在先技术[4]：EL Raab，M.Prenfiss et al.Phy.Rev.Lett，1987，59(23)，2631-2634)。全息图的记录及重现系统主要包括：第一、第二波带片17、18，微通道板19，探测器20、计算机16及真空外壳15。

经过第一微波带片17的原子束作为物束Wb。第一微波带片17对待测样品11放大成实像到微通道板19上。第二微波带片18对通过它那一部分原子束聚焦产生参考点源，其发射的原子束可视为参考束Cb。当原子束源9照明待测样品11和两微波带片17、18后，将产生物束Wb和参考束Cb，这两束原子束相遇时，在微通道板19上形成干涉条纹，微通道板19接收原子后，产生的电荷被探测器20接收，经A/D转换，直接输入到计算机16进行数字重现。上述本发明的像面全息记录装置除计算机16外，都置于真空外壳15中。

所说的探测器20是电荷耦合器(CCD)。

本发明与在先技术相比，具有以下优点：

1.由于在待测样品11和微通道板19间加了一个成像第一微波带片17以及原子束源9和微通道板19之间加了一个与第一微波带片17并列放置的第二微波带片18，可以大大降低对原子束源的空间相干性的要求，因而使本发明的测量装置比在先技术的记录装置的体积大大缩小了。

2.本发明采用原子束源9作照明源，而原子的物质波波长比可见光波长要小7个量级。因此测试灵敏度极高，分辨率也高；

3.可以测量电磁场、重力场等能够引起原子束位相变化的物理量；

4.以微通道板19和CCD探测器20作记录介质，集记录与数字化于一体，可进行实时重构；

5.最后用计算机进行数字重构，可对全息图进行各种预处理，如平滑噪声等，能提高成像质量。

附图说明：

图1为在先技术[1]中激光全息成像装置示意图。

图2为在先技术[2]中原子干涉仪结构示意图。

图3为本发明原子束像面全息记录装置示意图。

具体实施方式：

如上所述，本发明的原子束像面全息记录装置如图3所示，包括原子束源9，及成像系统。成像系统包括：第一、第二微波带片17、18，微通道板19，探测器20为CCD，计算机16及真空外壳15。

原子束源9是一个亚稳态1S₃Ne^*原子源，它可以通过高压放电或激光激发而获得。原子束磁光陷阱是由激光场和磁场组成。能对原子进行冷却和捕获，这种技术多年来被广泛用作冷原子束实验的基本工具。

在先技术中要求波带片离开原子束源9的距离Z₀是满足下面的条件：

                      Z₀≥r₀t/0.16λ，

式中r₀为原子束源9的尺寸，取0.1mm，t是两个微波带片17、18的一级衍射焦点间的距离。若t＝109.5μm，原子束的德布罗意波长λ＝3.3nm，求得：Z₀＝20740mm，显然这个尺寸是很大的，而本发明是采用像面全息图，像面全息图对光源的空间相干性的要求可以大大降低了，所以本发明中的Z₀可取为415mm，从而减小真空外壳15的尺寸。

在距原子束源9的415mm处，并列放置两个结构参数完全相同的第一、第二微波带片17、18，它们的半径为34μm，焦距为0.995mm，波带环数是N＝344，两个微波带片的焦点相距t＝109.5μm。由于微波带片的波带环数N＞100，成像符合单色透镜成像公式： $\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v},$ 式中u为物距，v为像距。微波带片17将待测样品11成像在像平面上即微通道板19上。第一、第二微波带片17、18的焦距f为0.995mm，待测样品11到第一微波带片17的距离即物距u为1mm，像距v为500mm，则放大倍数为500倍。

将待测样品11放置在非常接近第一微波带片17的焦点处，获得了一个放大的实像。本实施中所测量的待测样品11为激光器所形成的驻波场，用本发明的记录装置最终记录的是待测样品11的激光器所形成驻波场的位相移动。

Claims (1)

1.一种原子束像面全息记录装置，包括：真空外壳(15)，在真空外壳(15)内置有原子束源(9)，其特征在于在真空外壳(15)内垂直于原子束源(9)发射原子束流前进的方向上，并列地置放结构参数完全相同的第一微波带片(17)和第二微波带片(18)，在第一微波带片(17)与原子束源(9)之间的原子束流中置放待测样品(11)，在第一微波带片(17)的像面上置有微通道板(19)，微通道板(17)产生的电荷输进与计算机(16)相连的探测器(20)内，所说的第一、第二微波带片(17、18)是波带环数N＞100的物镜波带片，符合单色透镜成像公式：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v}$

其中f为微波带片(17、18)的焦距，u为物距，是待测样品(11)到微波带片(17、18)的距离，v为像距，是微波带片(17、18)到微通道板(19)的距离。