CN1243971C - 原子束相衬成像装置 - Google Patents

Abstract

一种原子束相衬成像装置，其特征在于它由四部分组成：第一部分原子束源，它含有七个部分：波长为598nm的激光器、光学透镜、Ne原子源、波长为640mm的染料激光器、磁光冷镜、两个针孔光阑；第二部分为待测样品；第三部分为记录系统和计算机：所说的记录系统是微通道板和CCD，它是将具有一定能量的原子束来照明微通道板产生电子，再用CCD接收；所说的计算机和CCD联接，显示CCD接收到的信息；所述的记录系统与待测样品的距离为Z₂＝0.49Z₁/λU²Z₁-0.49，第四部分为真空系统，除激光器、光学透镜和Ne原子束源、激光器和计算机以外，其它部分皆工作在该高真空系统中。本发明该装置有望能够测量电磁场、重力场等任何能引起原子束位相变化的物理量。

Description

原子束相衬成像装置

技术领域：

本发明是关于原子束成像技术，特别涉及一种原子束相衬成像装置，不采用干涉方法，可以获得待测样品的位相信息。

背景技术：

近年来，由于激光冷却减速技术以及原子衍射栅制造技术的发展，为研究原子束干涉仪提供了技术基础。1991年美国麻省理工学院的D.W.Keith首次用三块透射光栅建成Ne原子干涉仪。第一块光栅用来分束，第二块光栅用来会聚，第三块光栅用来取样，其原理类似于早期的中子干涉仪结构。然而，这种干涉仪经两次衍射以后，效率很低，又结构复杂，调整困难，并不具有实用价值。

我们知道，通常要取得待测物体的位相信息，只有通过干涉方法，将待测样品置入干涉仪的一个臂中。干涉的结果从两个臂程差求得待测样品位相的信息。

近年来，X射线相衬成像技术取得了飞速发展，这种成像技术的最大特点是，不采用干涉法，可以获得位相信息。

X射线相衬成像主要有以下四种方法：干涉法、衍射增强法、类同轴全息法和数字重构相衬成像法，目前被广泛使用的是类同轴全息法(参见在先技术：[1]A.Snigirev，I.Snigireva，V.Kohu et al.，Rev.Sci.Instrum.1995，66，5486-5492，[2]S.W.Wilkins，T.E.Guregev，D.Gao et al.，Nature(London)，1996，384，335-338)。

如果采用相干X射线或部分相干X射线通过物体时，除了吸收以外，还要产生位相变化，即发生波前的畸变。这种波面畸变导致部分波面的传播方向发生变化，使波面重叠而形成干涉。这样，位相变化转化成强度变化，这是相衬成像的物理基础，更为重要的是，这种图像不经任何重构技术，可直接获得位相变化图像。

从以上分析可知，当硬X射线穿透样品后，如果将探测器直接放在样品后面，记录的是一张基于吸收衬度机制的X射线投影图。如果探测器和样品距离满足以下公式时：

$Z_2=\frac{0.49Z_1}{\mathrm{\λ}{U}^2{Z}_1-0.49}---\left(1\right)$

就可以获得物体的位相衬度像，式中：λ是X射线波长，U是物体空间频率，Z₁是待测样品和X射线源的距离。因此，当λ、U、Z₁已确定以后，Z₂有一特定距离。特别要指出的是，这种相衬像反映的是物体折射率发生突变的地方。

图1为X射线相衬成像装置原理图，它由三部分组成：X射线源1，待测样品8和记录系统9。当X射线源1发出的X射线通过待测样品8以后，含有待测样品的位相信息。如果记录系统9放置在距待测样品8的距离Z2满足1式时，在记录系统9上获得待测样品8的位相信息。

X射线相衬成像技术，在探测生物样品、材料等实体方面非常有效，但它不能用来测试诸如电磁场、重力场等的位相变化。

受X射线相衬成像的启发，将其原理应用于原子光学中。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术中的不足，提供一种原子束相衬成像记录装置，该装置应能够测量电磁场、重力场等任何能引起原子束位相变化的物理量。

本发明技术思想是按照物质波干涉原理，把X射线相衬成像技术引进到原子光学中来。

本发明的技术解决方案是：

一种原子束相衬成像装置，其特征在于它由四部分组成：

第一部分原子束源，它含有七个部分：波长为598nm的激光器、光学透镜、Ne原子源、波长为640mm的染料激光器、磁光冷镜、第一针孔光阑和第二针孔光阑；所说的激光器，用来把Ne原子激发到亚稳态，即： $N_e+\mathrm{hv}\→N_e^{*}+e;$

所说的光学透镜用来把激光器输出光束聚焦到一个小尺寸，以激发Ne原子；

所说的Ne原子源是一个Ne原子炉；

所说的染料激光器用来形成一个驻波场囚禁Ne原子，让原子减速；

所说的磁光冷镜由磁场和激光场组成，用来冷却原子；

所说的第一针孔光阑和第二针孔光阑的孔径为0.2mm，两针孔光阑间的距离为0.6m，用来准直原子束；

第二部分为待测样品；

第三部分为记录系统和计算机：所说的记录系统是微通道板和CCD，它是将具有一定能量的原子束来照明微通道板产生电子，再用CCD接收；所说的计算机和CCD联接，显示CCD接收到的信息；所述的记录系统与待测样品的距离为 $Z_2=\frac{0.49Z_1}{\mathrm{\λ}{U}^2{Z}_1-0.49},$ 式中：λ是德布罗意波长，U是物体空间频率，Z₁是待测样品和Ne原子源之间的距离；

第四部分为真空系统，除激光器、光学透镜和Ne原子束源、染料激光器和计算机以外，其它部分皆工作在该真空系统中；

沿激光器出射光方向依次是光学透镜、磁光冷镜、第一针孔光阑、第二针孔光阑、待测样品和记录系统，所述的Ne原子束源的Ne原子射入所述的磁光冷镜，所述的染料激光器的640nm激光也射入磁光冷镜。

与在先技术相比：

本发明的原子束相衬成像装置，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X射线相衬成像装置示意图。

图2为本发明原子束相衬成像装置示意图。

具体实施方式

本发明的原子束相衬成像装置如图2所示，它是由四部分组成，第一部分原子束源，第二部分待测样品，第三部分记录和显示装置，第四部分为真空系统。

第一部分原子束源，它含有七个部分：波长为598nm的激光器1，光学透镜2，Ne原子源3，波长为640mm的染料激光器4，磁光冷镜5，第一针孔光阑6和第二针孔光阑7。

第二部分为待测样品8。

第三部分为记录系统9和计算机10。

第四部分为真空系统11。

所说的激光器1，输出波长为598nm，它是用来把Ne原子激发到亚稳态，即： $N_e+\mathrm{hv}\→N_e^{*}+e.$

所说的光学透镜2是用来把激光器1输出光束聚焦到一个小尺寸，以激发Ne原子。

所说的Ne原子源3是一个Ne原子炉。

所说的染料激光器4，波长为640nm，它用来形成一个驻波场囚禁Ne原子，让原子减速。

所说的磁光冷镜5，它是由磁场和激光场组成，用来冷却原子。

所说的第一针孔光阑6和第二针孔光阑7的直径为0.2mm，用来准直原子束。两针孔光阑间的距离为0.6m。

所说的待测样品8，是能用来影响原子束位相的物体，如重力场等。

所说的记录系统9是微通道板和CCD，它是将具有一定能量的原子束来照明微通道板产生电子，再用CCD接收。

所说的计算机10是用来和CCD联接，显示CCD接收到的信息。

所说的真空系统11，它是由3个机械泵和3个扩散泵构成。

当原子炉3中的Ne原子首先被波长为598nm的激光器1，经光学透镜2聚焦激发到亚稳态1S₅Ne^*，进入磁光冷镜5。

磁光冷镜5是由激光场4和磁场组成的，能对原子进行冷却和捕捉，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。磁光冷镜5即是用圆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，用一个球形四极矩磁场是，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退回。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。

1S₅Ne^*原子在磁光冷镜5中减速以后，慢慢漂移，变成1S₃Ne^*原子，经过第一针孔光阑6第二针孔光阑7以后，改善了原子束的空间相干性，和待测样品8相互作用，含有样品的位相信息，被记录系统9测得相衬图像显示在计算机11上。

除激光器1，光学透镜2和Ne原子束源3，染料激光器4和计算机11以外，其它部分皆工作在真空系统中。

当原子中的Ne原子首先被激光器1发出的并经光学透镜2聚焦波长为598nm的激光激发到亚稳态1S₅Ne^*，进入磁光冷镜5。

磁光冷镜5是由激光场和磁场组成的，能对原子进行冷却和捕捉，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。磁光冷镜5即是用圆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。

1S₅Ne^*原子在磁光冷镜5中减速以后，慢慢漂移，变成1S₃Ne^*原子，经过第一针孔光阑6和第二针孔光阑7以后，改善了原子束的空间相干性，和待测样品8相互作用，即含有待测样品8的位相信息，被放置在距待测样品8的距离为 $Z_2=\frac{{0.49Z}_1}{{\mathrm{\λU}}^2{Z}_1-0.49}$ 处的记录系统9测得相衬图像显示在计算机10上。

除激光器1，光学透镜2和Ne原子束源3，染料激光器4和计算机10以外，其它部分皆工作在真空系统11中。

本发明的原子束相衬成像装置，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。

Claims (1)

1、一种原子束相衬成像装置，其特征在于它由四部分组成：

第一部分原子束源，它含有七个部分：波长为598nm的激光器(1)、光学透镜(2)、Ne原子源(3)、波长为640mm的染料激光器(4)、磁光冷镜(5)、第一针孔光阑(6)和第二针孔光阑(7)；

所说的激光器(1)，用来把Ne原子激发到亚稳态，即：N_e+hv→N_e ^*+e；

所说的光学透镜(2)用来把激光器(1)输出光束聚焦到一个小尺寸，以激发Ne原子；

所说的Ne原子源(3)是一个Ne原子炉；

所说的染料激光器(4)，用来形成一个驻波场囚禁Ne原子，让原子减速；

所说的磁光冷镜(5)由磁场和激光场组成，用来冷却原子；

所说的第一针孔光阑(6)和第二针孔光阑(7)的孔径为0.2mm，两针孔光阑间的距离为0.6m，用来准直原子束；

第二部分为待测样品(8)；

第三部分为记录系统(9)和计算机(10)：所说的记录系统(9)是微通道板和CCD，它是将具有一定能量的原子束来照明微通道板产生电子，再用CCD接收；所说的计算机(10)和CCD联接，显示CCD接收到的信息；所述的记录系统(9)与待测样品(8)的距离为 $Z_2=\frac{0.49Z_1}{\mathrm{\λ}{U}^2{Z}_1-0.49},$ 式中：λ是德布罗意波长，U是物体空间频率，Z₁是待测样品(8)和Ne原子源(3)之间的距离；

第四部分为真空系统(11)，除激光器(1)、光学透镜(2)和Ne原子束源(3)、染料激光器(4)和计算机(10)以外，其它部分皆工作在该真空系统(11)中；

沿激光器(1)出射光方向依次是光学透镜(2)、磁光冷镜(5)、第一针孔光阑(6)、第二针孔光阑(7)、待测样品(8)和记录系统(9)，所述的Ne原子束源(3)的Ne原子射入所述的磁光冷镜(5)，所述的染料激光器(4)的640nm激光也射入磁光冷镜(5)。

Images