CN218959174U - 冷原子束产生装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于超冷原子技术领域，具体公开了一种冷原子束产生装置，旨在解决现有技术中原子装载速率低、装置体积大的技术问题。本申请实施例的冷原子束产生装置，包括原子囚禁腔、原子束流发射通道、囚禁激光通道、减速激光通道和磁体，原子囚禁腔为真空腔体；原子束流发射通道用于向原子囚禁腔内发射原子束流；囚禁激光通道用于向原子囚禁腔内发射可以囚禁原子束流的囚禁激光束；减速激光通道用于从原子束流的对向向原子囚禁腔内发射可以使原子束流减速的减速激光束；磁体用于产生作用于原子囚禁腔的四极磁场。这种结构的冷原子束产生装置达到了塞曼减速器相似的性能；并且与传统的塞曼减速器相比，结构更加紧凑。

Description

冷原子束产生装置

技术领域

本申请属于超冷原子技术领域，具体涉及一种小型化的冷原子束产生装置。

背景技术

冷原子束的产生有两种主流装置：塞曼减速器和二维磁光阱。塞曼减速器采用激光散射原理，在原子运动相反方向加一束原子共振的强激光，原子吸收激光光子动量减速；为了保持减速中的原子始终处于共振状态，需要专门设计沿运动轴向的磁场，以用塞曼频移补偿减速中的多普勒频移。这种方法电功耗较大并且难以小型化，难以满足当今量子传感等应用小型化可搬运的需求。二维磁光阱装置采用多普勒磁光囚禁原理，通过金属气体释放剂向一个高真空腔释放稀薄原子蒸汽。在原子束的轴向方向施加冷却光和四极磁场，使原子冷却并富集在磁场为零的轴上，优于在轴线上没有附加束缚，因此原子沿轴向形成冷原子流。与塞曼减速器相比，这种方案能够有效缩短装置的长度，但冷原子束流强度低于塞曼减速器。

实用新型内容

本申请实施例提供一种冷原子束产生装置，旨在解决现有技术中原子装载速率低、装置体积大的技术问题。

本申请实施例提供的冷原子束产生装置，包括原子囚禁腔、原子束流发射通道、囚禁激光通道、减速激光通道和磁体，

原子囚禁腔为真空腔体；

原子束流发射通道用于向原子囚禁腔内发射原子束流；

囚禁激光通道用于向原子囚禁腔内发射可以囚禁原子束流的囚禁激光束；

减速激光通道用于从原子束流的对向向原子囚禁腔内发射可以使原子束流减速的减速激光束；

磁体用于产生作用于原子囚禁腔的四极磁场。

根据本申请的实施方式，原子囚禁腔为圆柱形，原子束流发射通道、囚禁激光通道和减速激光通道均设置在原子囚禁腔的圆柱形侧壁上、沿着原子囚禁腔的径向向外延伸。

根据本申请前述任一实施方式，囚禁激光通道包括第一囚禁激光通道、第二囚禁激光通道、第三囚禁激光通道、第四囚禁激光通道，

第一囚禁激光通道与第三囚禁激光通道相对设置，第二囚禁激光通道与第四囚禁激光通道相对设置。

根据本申请前述任一实施方式，在第一囚禁激光通道和/或第二囚禁激光通道和/或第三囚禁激光通道和/或第四囚禁激光通道的激光入口端设置有玻璃窗和对玻璃窗加热的加热模块，或

在减速激光通道的激光入口端设置有玻璃窗和对减速激光通道的通道侧壁降温的降温模块。

根据本申请前述任一实施方式，冷原子束产生装置还包括原子推送通道和原子接收通道，

原子推送通道和原子接收通道均沿着原子囚禁腔的轴向设置，分别位于原子囚禁腔的两外侧壁，

原子推送通道用于向原子囚禁腔内发射推送被囚禁的原子团的推送激光，原子接收通道用于接收由推送激光推送的原子团。

根据本申请前述任一实施方式，原子束流发射通道与原子炉连通，原子炉用于向原子束流发射通道内发射原子束流。

根据本申请前述任一实施方式，原子束流发射通包括沿着原子囚禁腔的径向延伸的准直段和与准直段连接的原子进入段。

根据本申请前述任一实施方式，在准直段内设置有用于对原子束流进行准直的若干根紧密排列的准直管。

根据本申请前述任一实施方式，准直管的内径为1mm～3mm。

根据本申请前述任一实施方式，四极磁场在原子囚禁腔的轴线处的磁场强度为零，囚禁激光束在原子囚禁腔的轴线处产生冷却激光光场。

根据本申请前述任一实施方式，在原子囚禁腔的圆柱形外侧壁上设置有两个用于安放磁体的磁体安放槽，两个磁体安放槽相对设置，其中一个磁体安放槽位于第一囚禁激光通道与第二囚禁激光通道之间，另一个磁体安放槽位于第三囚禁激光通道与第四囚禁激光通道之间。

本申请实施例的冷原子束产生装置，利用从原子束流运动方向相反发射的减速激光束，可以降低原子束流的速度，降低至特定速度的原子更容易被磁光阱捕获，从而提高了冷原子束流密度，达到了塞曼减速器相似的性能；并且与传统的塞曼减速器相比，由于利用四极磁场与激光一起组成磁光阱，取代了传统塞曼减速器中较长的圆柱形通道，结构更加紧凑。

附图说明

图1是本申请实施例提供的冷原子束产生装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的冷原子束产生装置的局部剖视图；

图3是本申请实施例提供的冷原子束产生装置的剖视图；

图4是本申请实施例提供的冷原子束产生装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

请参阅图1至图4，本申请实施例公开的冷原子束产生装置100，包括原子囚禁腔1、原子束流发射通道2、囚禁激光通道3、减速激光通道4和磁体5；其中，原子囚禁腔1为真空腔体，其真空度可达10^-6Pa；原子束流发射通道2用于向原子囚禁腔1内发射原子束流，通过原子束流发射通道2进入原子囚禁腔1内的原子束流的速度可达1000m/s；囚禁激光通道3用于向原子囚禁腔1内发射可以囚禁原子束流的囚禁激光束，囚禁激光束通过囚禁激光通道3射入原子囚禁腔1内形成冷却激光光场；磁体5用于产生作用于原子囚禁腔1的四极磁场(例如，柱对称四极磁场)；四极磁场与从囚禁激光通道3射入的囚禁激光束一起组成可以囚禁原子团的磁光阱；减速激光通道4用于从原子束流的对向向原子囚禁腔1内发射可以使原子束流减速的减速激光束；通过减速激光束射向原子束流对原子束流降速，可以使原子束流更容易被磁光阱捕获。

可以理解的是，本申请实施例的冷原子束产生装置100利用从原子束流运动方向相反发射的减速激光束，可以降低原子束流的速度，降低至特定速度的原子更容易被磁光阱捕获，从而提高了冷原子束流密度，达到了塞曼减速器相似的性能；但是与传统的塞曼减速器相比，由于利用四极磁场与激光一起组成磁光阱，取代了传统塞曼减速器中较长的圆柱形通道，结构更加紧凑。

请继续参阅图1，在一种实施方式中，原子囚禁腔1为圆柱形，原子束流发射通道2、囚禁激光通道3和减速激光通道4均设置在原子囚禁腔1的圆柱形侧壁上且沿着原子囚禁腔1的径向延伸。可以理解的是，圆柱形的原子囚禁腔1加工成本低，可以减少整个冷原子束产生装置100的成本。

请继续参阅图1，在一种实施方式中，囚禁激光通道3包括第一囚禁激光通道31、第二囚禁激光通道32、第三囚禁激光通道33、第四囚禁激光通道34，第一囚禁激光通道31与第三囚禁激光通道33相对设置，第二囚禁激光通道32与第四囚禁激光通道34相对设置，四个囚禁激光通道组成“X”形结构；优选的，相邻的囚禁激光通道之间的夹角为90°。可以理解的是，这种结构的囚禁激光通道产生的磁光阱抓取原子的数目较多，冷却原子的效果较好。

当然，也可以设置六个囚禁激光通道，六路囚禁激光束同时射入原子囚禁腔1内形成冷却激光光场。

在一种实施方式中，在第一囚禁激光通道31和/或第二囚禁激光通道32和/或第三囚禁激光通道33和/或第四囚禁激光通道34的激光入口端设置有玻璃窗35和对玻璃窗35加热的加热模块(图中未示出)。囚禁激光束通过玻璃窗35射入囚禁激光通道，进而射向原子囚禁腔1内；由于玻璃窗35处温度较低，经过长时间的工作，会在玻璃窗35附件形成原子镀膜，影响囚禁激光束透过率，对原子团冷却和囚禁产生不利影响，因此，通过设置对玻璃窗35进行加热的加热模块，可以让玻璃窗35保持在较高的温度，原子在热的玻璃窗35上沉积就会减少，因此能够保证玻璃窗35的清洁。加热模块可以是加热丝、加热带等。其中，玻璃窗35优选为高真空玻璃窗。

当然，也可以在第一囚禁激光通道31、第二囚禁激光通道32、第三囚禁激光通道33、第四囚禁激光通道34的通道侧壁设置制冷模块(图中未示出)，通过制冷模块使第一囚禁激光通道31、第二囚禁激光通道32、第三囚禁激光通道33、第四囚禁激光通道34的通道侧壁保持低温，当高温原子运动到第一囚禁激光通道31、第二囚禁激光通道32、第三囚禁激光通道33、第四囚禁激光通道34的低温处时就沉积在通道内壁上，从而防止原子继续向玻璃窗35运动，沉积在玻璃窗35上。制冷模块可以是帕尔贴制冷模块，也可以是水冷制冷模块。

在一种实施方式中，在减速激光通道4的激光入口端设置玻璃窗(图中未示出)和对减速激光通道4的通道侧壁降温的降温模块(图中未示出)。由于原子束流朝向减速激光通道4的方向射出，会有一些原子射到减速激光通道4的侧壁上，因此，通过在减速激光通道4的通道侧壁设置降温模块，可以使这部分原子沉积在减速激光通道4的通道内壁，防止原子沉积在玻璃窗上污染玻璃窗。

请参阅图4，在一种实施方式中，冷原子束产生装置100还包括原子推送通道61和原子接收通道62，原子推送通道61和原子接收通道62均沿着原子囚禁腔1的轴向设置，且分别位于原子囚禁腔1的两外侧壁；原子推送通道61用于向原子囚禁腔1内发射推送被囚禁的原子团的推送激光，原子接收通道62用于接收由推送激光推送的原子团。当磁光阱囚禁住原子团后，通过原子推送通道61向原子囚禁腔1内发射推送激光，将原子团推送至原子接收通道62内，接收通道将原子团转移至其他装置内。

在一种实施方式中，原子束流发射通道2与原子炉7连通，原子炉7用于向原子束流发射通道2内发射原子束流。加热原子炉7，原子便以束流的形式从原子炉7中射出，与传统二维磁光阱装置中采用原子释放剂产生原子相比，提高了原子囚禁腔1内的背景原子气压，进而提高了磁光阱的装载速率。

在一种实施方式中，原子束流发射通包括沿着原子囚禁腔1的径向延伸的准直段21和与准直段21连接的原子进入段22。准直段21与原子进入段22之间可以具有一定夹角，此种结构可以减小整个原子束流发生通道的长度，进而减小整个冷原子束产生装置100的占用空间。

在一种实施方式中，在准直段21内设置有用于对原子束流进行准直的若干根紧密排列的准直管23。优选的，准直段21和减速激光通道4均沿着水平方向延伸，准直管23设置在准直段21内，同样沿着水平方向延伸。通过水平方向延伸的密堆准直管23阵列，既可以保证原子束流准直特性，也起到真空差分的作用。优选的，准直管23的内径为1mm～3mm。例如，准直管23的内径为1.1mm、1.4mm、1.7mm、2mm、2.3mm、2.6mm、2.8mm。

优选的，通过合理选择磁体5的规格参数、合理设置磁体5的位置，使磁体5产生的四极磁场在原子囚禁腔1的轴线处的磁场强度为零，径向磁场梯度范围10高斯/厘米～100高斯/厘米，同时，使囚禁激光束在原子囚禁腔1的轴线处产生冷却激光光场，从而在原子囚禁腔1的轴线处产生囚禁原子团的磁光阱。

在一种实施方式中，在原子囚禁腔1的圆柱形外侧壁上设置有两个用于安放磁体5的磁体安放槽11，两个磁体安放槽11相对设置，每个磁体安放槽11内安装一块磁体5，其中一个磁体安放槽11位于第一囚禁激光通道31与第二囚禁激光通道32之间，另一个磁体安放槽11位于第三囚禁激光通道33与第四囚禁激光通道34之间。磁体5优选为永磁体，通过安放永磁体代替传统的电磁线圈提供四极磁场，可以降低整个冷原子束产生装置100的能耗。

Claims (11)

1.冷原子束产生装置，其特征在于：包括原子囚禁腔、原子束流发射通道、囚禁激光通道、减速激光通道和磁体，

所述原子囚禁腔为真空腔体；

所述原子束流发射通道用于向所述原子囚禁腔内发射原子束流；

所述囚禁激光通道用于向所述原子囚禁腔内发射可以囚禁原子束流的囚禁激光束；

所述减速激光通道用于从所述原子束流的对向向所述原子囚禁腔内发射可以使原子束流减速的减速激光束；

所述磁体用于产生作用于所述原子囚禁腔的四极磁场。

2.根据权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于：所述原子囚禁腔为圆柱形，所述原子束流发射通道、囚禁激光通道和减速激光通道均设置在所述原子囚禁腔的圆柱形侧壁上、沿着所述原子囚禁腔的径向向外延伸。

3.根据权利要求2所述的冷原子束产生装置，其特征在于：所述囚禁激光通道包括第一囚禁激光通道、第二囚禁激光通道、第三囚禁激光通道、第四囚禁激光通道，

所述第一囚禁激光通道与第三囚禁激光通道相对设置，所述第二囚禁激光通道与第四囚禁激光通道相对设置。

4.根据权利要求3所述的冷原子束产生装置，其特征在于：在所述第一囚禁激光通道和/或第二囚禁激光通道和/或第三囚禁激光通道和/或第四囚禁激光通道的激光入口端设置有玻璃窗和对所述玻璃窗加热的加热模块，或

在所述减速激光通道的激光入口端设置有玻璃窗和对所述减速激光通道的通道侧壁降温的降温模块。

5.根据权利要求2所述的冷原子束产生装置，其特征在于：还包括原子推送通道和原子接收通道，

所述原子推送通道和原子接收通道均沿着所述原子囚禁腔的轴向设置，分别位于所述原子囚禁腔的两外侧壁，

所述原子推送通道用于向所述原子囚禁腔内发射推送被囚禁的原子团的推送激光，所述原子接收通道用于接收由所述推送激光推送的原子团。

6.根据权利要求1所述的冷原子束产生装置，其特征在于：所述原子束流发射通道与原子炉连通，所述原子炉用于向所述原子束流发射通道内发射原子束流。

7.根据权利要求2所述的冷原子束产生装置，其特征在于：所述原子束流发射通道包括沿着所述原子囚禁腔的径向延伸的准直段和与所述准直段连接的原子进入段。

8.根据权利要求7所述的冷原子束产生装置，其特征在于：在所述准直段内设置有用于对原子束流进行准直的若干根紧密排列的准直管。

9.根据权利要求8所述的冷原子束产生装置，其特征在于：所述准直管的内径为1mm～3mm。

10.根据权利要求3所述的冷原子束产生装置，其特征在于：所述四极磁场在所述原子囚禁腔的轴线处的磁场强度为零，所述囚禁激光束在所述原子囚禁腔的轴线处产生冷却激光光场。

11.根据权利要求10所述的冷原子束产生装置，其特征在于：在所述原子囚禁腔的圆柱形外侧壁上设置有两个用于安放所述磁体的磁体安放槽，两个磁体安放槽相对设置，其中一个磁体安放槽位于所述第一囚禁激光通道与第二囚禁激光通道之间，另一个磁体安放槽位于所述第三囚禁激光通道与第四囚禁激光通道之间。

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