JP2017183706A - 温度にわたって位置的に安定な磁気光学トラップのためのシステム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度にわたって位置的に安定な磁気光学トラップのためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】原子センサは、少なくとも1つのレーザを生成するように構成された少なくとも1つのレーザ源302と、前記少なくとも1つのレーザを方向付ける1又は複数の光学部品と、真空セル310であって、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを前記真空セル310の中へ方向付け、前記1又は複数の光学部品と前記真空セル310は、一体に結合され、前記原子センサ内の部品は、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、真空セル310と、を含む。【選択図】図3

Description

<関連出願への相互参照>
[0001] この出願は、2016年2月19日に提出された米国仮特許出願番号第62/297,547の利益を主張し、当該出願はこれによって参照として本明細書に組み込まれる。
<背景>
[0002] レーザ冷却された原子に基づく原子センサは、商業的に著しく重要であり得る。例えば、それらは、GPS拒絶環境における計時及びナビゲーションに使用されることができる。これらの冷却原子センサの従来の設計は、レーザ源からの不可欠なレーザビームを、運動学的タイプ又は屈曲タイプの可動マウント上の個々のビームスプリッタとミラーを用いることによって方向付けする。そのようなマウント方式は、熱サイクル中にアライメントの漸動を生じさせやすく、また温度範囲にわたって引き起こされる大きな照準ドリフト(pointing drift)を有する場合もある。ある実装例において、可動ミラーマウントの固定部は、原子を収容している超高真空(UHV)チャンバの周囲の金属製足場によって保持され得る。この実装例では、その部材の足場を形作っている様々な材料に熱膨張係数(CTE)の不整合があると、支持アームが異なる量で収縮又は拡張するので、温度に対する照準ドリフトが生じる場合がある。もし光フィールドの偏光状態を作り出すために波長板などのバルクの遅延素子が使用されると、温度の変化は、波長板の厚さの変化とレーザビームが波長板を通過する角度の変化を引き起こし、レーザビームの偏光の変動をもたらし得る。これは、磁気光学トラップ(MOT)におけるUHVチャンバ内のトラップ原子の位置にシフトを生じさせる場合がある。更に、マイクロ波共振器でもある真空チャンバに基づく小型原子センサにおいては、トラップの位置の変化は、空間的な位相の不均一性に結合することによる長期的な周波数不安定性につながる場合がある。したがって、そのようなクロックに必要とされるレーザビームを制御する従来方法は、関連のある動作温度範囲にわたって安定な超小型のクロックには適していない。
温度にわたって位置的に安定な磁気光学トラップのためのシステム及び方法が提供される。ある実施態様において、原子センサは、少なくとも1つのレーザを生成するように構成された少なくとも1つのレーザ源と、前記少なくとも1つのレーザを方向付ける1又は複数の光学部品と、真空セルであって、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを前記真空セルの中へ方向付け、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、一体に結合され、前記原子センサ内の部品は、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、真空セルと、を含むことができる。
[0003] 図面は例示的な実施態様のみを表し、したがって適用範囲において限定的であるものと見做されてはならないということを理解して、例示的な実施態様が、添付図面の使用を通じてより一層の具体性と詳細さをもって説明される。
[0004] 図1は、本明細書において説明される一実装例による磁気光学トラップの図である。 [0005] 図2は、本明細書において説明される一実装例による、偏光に対する反射の影響を示す図である。 [0006] 図3は、本明細書において説明される一実装例による磁気光学トラップの分解組立図である。 [0007] 図4は、本明細書において説明される実施態様による磁気光学トラップを作製するための方法を示すフロー図である。
[0008] 一般的な慣例に従って、説明される様々な特徴は一定の縮尺で描かれず、例示的な実施態様に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。
[0009] 以下の詳細な説明では、その一部をなす添付図面への参照がなされ、添付図面には、具体的な例示の実施態様が実例として示されている。しかしながら、他の実施態様が利用され得ること、並びに、論理的、機械的、及び電気的な変更がなされ得ることが、理解されなければならない。その上、図面及び明細書に提示された方法は、個々のステップが実施される順序を限定するものと解釈されてはならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えられてはならない。
[0010] 本明細書において説明される実施態様は、温度変化にわたって位置的に安定な磁気光学トラップのためのシステム及び方法に対して描かれている。温度にわたって位置が安定である磁気光学トラップを作るために、光学アセンブリ及び真空チャンバは、単一のモノリシックで強固なアセンブリとして作成される。例えば、当該アセンブリは、アセンブリ中に位置決めされ、真空セル及びマイクロ波共振器と強固に接触するように接合されることが可能な、ビーム操作用の固体プリズムを使用することができる。アセンブリ内の結合部品は、整合したCTEを有する材料から作られることができる。アセンブリ内の臨界角は、切断研磨ガラスプリズムの形状によって設定されることができる。整合したCTEは、大きな温度変動の下であっても、レーザビームの偏光とアライメントの長期安定性を確実なものとすることができる。
[0011] 少なくとも1つの実装例において、アセンブリは真空内光学系を欠如する。使用される場合には、真空内光学系は、一旦組み立てられると真空を再封止する必要なしには調整不可能であり得る。したがって、真空内光学系は、真空が封止された後にシステム内のビーム経路の調整及び最適化に利用できる自由度の数又は範囲を制限し得る。アセンブリ内の光学系は真空セル及びマイクロ波共振器と強固に接触するようにマウントされた固体プリズムから作製されるので、真空内光学系は存在していない。したがって、システムがビーム経路の最適化に必要な自由度の数及び範囲を維持しながら、真空チャンバは光学アセンブリとは別個に構成されることができる。
[0012] 本明細書において説明される少なくとも1つの実装例において、磁気光学トラップに必要とされる3つのレーザビームの偏光状態は、プリズムの全内部反射によって反射される光の固有遅延効果によって設定されることができ、ここで遅延は、外表面に適用された薄膜コーティングの厚さ及び材料の設計によって調整されることが可能である。これらの層はほんの数波長の厚さであるので、バルクの波長板とは対照的に、熱膨張に誘起される遅延誤差に対して極めて感受性が低い。
[0013] 上述されたように、ある実装例では、アセンブリは密接に整合したCTEを持つ材料から作製される。1つの特定例において、SF11、サファイア、及び15/85銅タングステン合金の材料は密接に整合したCTEを有する。このようにして、熱膨張は幾何学的形状の拡張を引き起こす。このことは、アクティブな操作又は補償を必要とすることなく、幾何学的形状によって受動的に、レーザビームのバウンス角を保存し、より一般的には真空チャンバ内のレーザの交点を保存する。これは、非CTE整合材料が用いられた場合に起きることとはかなり異なっている。非CTE整合材料の場合には、センサ本体の実質的に一様な熱膨張の下において、幾何学的形状は歪んで、レーザのバウンス角も交点も保存されない。
[0014] 図1は、CTE整合材料を用いて構成された原子センサ100の一実装例の断面図を提供する。例えば、原子センサは、周波数標準として、又は原子干渉計として用いられることができる。図1に示されるように、レーザ源102は、プリズム対称軸108に沿って向いている対称軸を持った、プリズム116内へ方向付けられる3本のビーム104に分離される単一のレーザビーム106を生成する。単一のレーザビーム106の3本のビーム104への分離は、当該単一のレーザビームを体積ブラッグ透過グレーティング110に通すことによって達成されることができる。更に、3本のレーザビームは、コリメートされることもできる。代替的に、レーザ源102は、プリズム116内へ方向付けられる複数のレーザビームを生成してもよい。もし回折角112が正しく選ばれ、且つプリズム116の頂角114が正しければ、3本のレーザビーム104は、プリズム116がウィンドウ120に対してフラットにMOT122内へ接合されている場合に、MOT領域118内部において相互に直角に交わることができる。上記の配置は、部品を調整するのに残っている唯一の自由度はMOT122内部における交わり118の中心の横方向位置であるので、アライメントを簡単にすることができる。交わり118の中心の位置は、レーザ源102をプリズム116に沿ってスライドさせることによって動かすことが可能である。プリズム116との関係におけるレーザ源102の調整は、真空の内部に調整可能な部品が何も置かれていないため、原子がMOT122内部にトラップされている間にリアルタイムで実施されることができる。レーザ源102が正しく位置付けられている際に、レーザ源102とプリズム116の間に配置される光学的屈折率整合接合剤が硬化させられることができる。ある実装例において、MOT122の真空セルは、ウィンドウ120に結合された金属から作製されることができる。上述されたように、選ばれる金属は、ウィンドウ120の作製のために選ばれた材料と同様のCTEを有することができる。
[0015] 少なくとも1つの実装例において、3本のレーザビーム104は、プリズム116の3つの反射面124からTIR(全内部反射)を通じて反射する。プリズム116の反射面124は、それぞれの反射面124から反射する際に各ビームの所望の偏光回転を生じるように、薄膜コーティングで別々に被覆される。
[0016] 表面からの反射の際にビームの所望の偏光回転を生じさせる一例が、図2に示されている。例えば、図2において、反射面202が示されている。所望の偏光は、図1におけるプリズム116のような、プリズムの外表面に適用された薄膜層の厚さ及び材料組成を様々に変えることによって生成されることが可能である。当業者は、MOTを作製するために、3つのビーム104のうちの1つの偏光は他のビームの偏光と比較して反対の極性(handedness)を有する、ということに留意するだろう。したがって、異なるコーティングが、3つのビーム104に対して所望の偏光を得るようにプリズム116の異なる面に適用されることができる。少なくとも1つの例示的な実装例において、プリズムの各面上の異なるコーティングによって、直線偏光の入射光が、依然として円偏光ではないが正しい楕円偏光に回転させられる。代替的な例では、図2の反射面202からの跳ね返りによって、光は楕円にされる。別の代替的な例では、複屈折の強い材料126が、図1のプリズム116が他の部品と接する場所に配置されることができる。
[0017] ある実装例において、図1に関連して説明されたように、反射ビーム104は、平面真空ウィンドウ120を通過する。ウィンドウ120は、ガラス又は(サファイアなどの)結晶から作製されることができる。ある例において、ガラスにおけるフレネル反射を低減するために、屈折率整合接合剤が、プリズム116を使用されるウィンドウ120に結合するのに用いられることができる。少なくとも1つの例示的な実装例において、ウィンドウ120は、MOT122の内部に面しているウィンドウ120の側である、ウィンドウ120の真空側のみを被覆される。ウィンドウ120が複屈折材料から作製されるか、又は複屈折材料126がウィンドウ120とサファイアなどのプリズム116との間に配置される場合、3本のビーム104の偏光は、ビーム104がウィンドウ120を通過する際に変化し得る。システムは、複屈折性を用いて3本のビーム104の偏光を更に制御することができる。例えば、cカットのウィンドウ(表面に垂直な光軸)を用いることによって、全てのビームは、対称性に起因して同じように遅延させられることができる。
[0018] ある実装例において、図1のMOT122のようなMOTを作るために、レーザは、偏光の極性が反転した状態で再帰反射されなければならない。図1は、第2真空ウィンドウ上の反射防止コーティング128により生じる回転が正確にラムダ/4となるように設計することによって、各ビームに対する個々の波長板を持たない反射器エレメントを提供する。これが可能なのは、全てのビームが(構成により)円偏光であり、(やはり構成により)表面への同じ入射角を有し、その結果、コーティングが全てのビームに対してラムダ/4遅延器として作用するからである。そのため、HRコーティングが、ファセットがビームに対して垂直である底部プリズム130の外表面に適用される。
[0019] 図3は、本明細書において説明される少なくとも1つの実施態様による磁気光学トラップを作製するのに用いられるシステム300の部品の分解組立図を提供する。図示されるように、システム300は、レーザビームをプリズム304に導入するレーザ源302を含む。レーザビームがプリズム304に導入されると、レーザビームは、当該ビームを、プリズム304中を異なる方向に進む少なくとも3つの別々のレーザビームに分離するように機能する、1又は複数の光学部品を通過することができる。図3に示されるように、プリズム304は六角柱であり、一方、図1のプリズム116は三角柱であった。プリズム304とプリズム116の両方、及びレーザビームを所望の経路に沿って方向付ける能力のある他のプリズム形状が用いられることができる。
[0020] ある実装例において、レーザビームがプリズム304を通過した時、当該レーザビームは、原子をトラップするのに用いられる磁気光学コイルを保持するスラブ306を通過し、次いで、サファイア又は上述されたような他の何らかの複屈折材料からなるウィンドウ308を通過する。プリズムは、整合したCTEを有する接合剤を用いて所望の位置においてスラブ306に接合される。レーザビームがウィンドウ308を通過すると、レーザは次いで、真空セル310に入ることができる。真空セル310は、アルカリ原子を真空セル310に導入するのに用いられることができる部品を含む。また、当該部品は、真空を保存するためのポンプも含むことができる。しかしながら、真空セル310内の当該部品は、光路の一部分ではなく、真空セル310の意図された機能をサポートするように働く。少なくとも1つの実装例において、真空セルは、ループギャップマイクロ波共振器として機能することができる内部構造を有する。一旦レーザビームが真空セル310を通過すると、レーザビームは次いで、両者ともサファイア又は他の複屈折材料で作られることができることからウィンドウ308に類似している、別のウィンドウ312を通過する。次いで、レーザは、磁気光学コイルを収容した別のスラブ314を通過する。レーザがスラブ314を通過した後、レーザはプリズム316によって再帰反射され、このプリズム316は、真空セル310及び他の部品を通ってレーザをそれぞれの経路に沿って元の方へ反射する。上述されたように、光路に沿った部品は、同じようなCTEを有した材料から作製される。更に、図3に示された部品は位置合わせされ、次いで接合剤又は他の結合方法を用いて一体に結合され、結合を実施するのに用いられる付加的な材料もまた、当該部品と同様のCTEを有する。
[0021] 図4は、原子センサを作製するための方法400のフロー図である。方法400は402において進行し、少なくとも1つのレーザ源が、1又は複数の光学部品に対して位置合わせされる。更に、少なくとも1つの実装例において、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザ源によって生成されたレーザを3本のレーザビームに分離し、前記3本のレーザビームをプリズムの中へ方向付けるように構成されることができ、前記プリズムは、前記1又は複数の光学部品の一部である。光学部品の作製の間において、光学部品は、所望のバウンス角及び偏光などの、所望の機能を提供するように切断され、研磨され、コーティングされる。別の実装例において、前記1又は複数の光学部品は、前記レーザが通過する際に前記レーザを3本のレーザビームに分離するように構成されたブラッグ透過グレーティングを含む。方法400は404において進行し、前記1又は複数の光学部品が、真空セルに対して相互に位置合わせされる。ある実装例において、プリズムはその上に堆積された層を有し、その薄い層は、プリズムの表面における全内部反射を通じて反射されたレーザビームの偏光に影響を与える。
[0022] 少なくとも1つの他の実装例において、方法400は406において進行し、前記少なくとも1つのレーザ源が、前記1又は複数の光学部品に結合される。少なくとも1つの実装例において、方法400は408において進行し、前記1又は複数の光学部品が前記真空セルに結合され、ここで、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される。
[0023] 温度に対する照準(pointing)と遅延の管理は挑戦である。しかしながら、この光学的構成の偏光は、温度にわたって増大した安定性を提供する。それは、プリズムと真空ウィンドウの壁面上の薄膜遅延コーティングが、本来的に非常に低いオーダーであり(非常に薄く)、それらを温度に対して極めて低感度にするからである。照準もまた、本明細書において説明されるように、増大した安定性を有する。それは、積層体における材料が、よく整合したCTEを有し、その結果、温度変動の下において、幾何学的形状は全体的な拡縮を受けるからである。したがって、角度は実質的に保存され、MOTはなおも真空チャンバの中心に形成されるだろう。
<例示的実施態様>
[0024] 例1は、原子センサであって、少なくとも1つのレーザを生成するように構成された少なくとも1つのレーザ源と、前記少なくとも1つのレーザを方向付ける1又は複数の光学部品と、真空セルであって、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを前記真空セルの中へ方向付け、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、一体に結合され、前記原子センサ内の部品は、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、真空セルと、を備える原子センサを含む。
[0025] 例2は、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、異なる材料から作製される、例1の原子センサを含む。
[0026] 例3は、前記真空セルは、部分的に金属から作製される、例2の原子センサを含む。
[0027] 例4は、前記真空セルにおける前記金属は、ループギャップマイクロ波共振器として機能する内部構造を有する、例3の原子センサを含む。
[0028] 例5は、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを3本のレーザビームに分離して前記3本のレーザビームをプリズムの中へ方向付け、前記プリズムは、前記1又は複数の光学部品の一部である、例1−4のいずれかの原子センサを含む。
[0029] 例6は、前記同様の熱膨張係数は、前記原子センサが温度の変化を経験した時に前記3本のレーザビームが同じ相対位置で交わることを確実にする、例5の原子センサを含む。
[0030] 例7は、前記少なくとも1つのレーザは、ブラッグ透過グレーティングを通過することによって3本のレーザビームに分離される、例5−6のいずれかの原子センサを含む。
[0031] 例8は、前記プリズムは、その上に堆積された薄い層を有し、前記薄い層は、前記プリズムの表面における全内部反射を通じて反射されたレーザビームの偏光に影響を与える、例5−7のいずれかの原子センサを含む。
[0032] 例9は、前記プリズムは、前記3本のレーザビームをウィンドウ及び平面磁気光学コイルを通じて前記真空セル内へ反射し、前記3本のレーザビームは、前記真空セル内の位置において相互と直交して交差する、例5−8のいずれかの原子センサを含む。
[0033] 例10は、前記ウィンドウは、複屈折材料から作製される、例9の原子センサを含む。
[0034] 例11は、前記3本のレーザビームが前記真空セル、第2ウィンドウ、及び第2磁気光学コイルを通過した後に、第2プリズムが、前記3本のレーザビームを前記第2プリズムの表面に入射した経路に沿って元の方へ再帰反射する、例9−10のいずれかの原子センサを含む。
[0035] 例12は、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、接合剤で一体に結合され、前記接合剤は、前記原子センサにおける他の部品と同様の熱膨張係数を有する、例1−11のいずれかの原子センサを含む。
[0036] 例13は、前記原子センサは、原子周波数標準及び原子干渉計のうちの少なくとも1つとして機能する、例1−12のいずれかの原子センサを含む。
[0037] 例14は、前記真空セルは、アルカリ材料源、及び前記真空セル内の真空を維持するように構成されたポンプのうちの少なくとも1つによって伴われる、例1−13のいずれかの原子センサを含む。
[0038] 例15は、原子センサを作製するための方法であって、少なくとも1つのレーザ源を1又は複数の光学部品に対して位置合わせするステップと、前記1又は複数の光学部品を真空セルに対して相互に位置合わせするステップと、前記少なくとも1つのレーザ源を前記1又は複数の光学部品に結合するステップと、前記1又は複数の光学部品を前記真空セルに結合するステップであって、前記原子センサの部品は、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、ステップと、を含む方法を含む。
[0039] 例16は、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザ源によって生成された少なくとも1つのレーザを3本のレーザビームに分離して前記3本のレーザビームをプリズムの中へ方向付けるように構成され、前記プリズムは、前記1又は複数の光学部品の一部である、例15の方法を含む。
[0040] 例17は、前記1又は複数の光学部品は、ブラッグ透過グレーティングを通過させることによって前記少なくとも1つのレーザを3本のレーザビームに分離するように構成されたブラッグ透過グレーティングを含む、例15−16のいずれかの方法を含む。
[0041] 例18は、前記プリズム上に薄い層を堆積させ、前記薄い層が、前記プリズムの表面における全内部反射を通じて反射されたレーザビームの偏光に影響を与えるようにするステップを更に含む、例15−17のいずれかの方法を含む。
[0042] 例19は、原子センサであって、少なくとも1つのレーザを生成するように構成された少なくとも1つのレーザ源と、前記少なくとも1つのレーザを方向付ける1又は複数の光学部品であって、プリズムを備え、前記プリズムは、その上に堆積された薄い層を有し、前記薄い層は、前記プリズムの表面における全内部反射を通じて反射されたレーザビームの偏光に影響を与える、1又は複数の光学部品と、真空セルであって、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを前記真空セルの中へ方向付ける、真空セルと、を備える原子センサを含む。
[0043] 例20は、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、一体に結合され、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、例16−19のいずれかの原子センサを含む。
[0044] 本明細書において特定の実施態様が例示され説明されてきたが、それと同じ目的を達成するように意図されたあらゆる構成が、示された当該特定の実施態様に取って代わることができる、ということが当業者によって理解されるだろう。したがって、この発明は、クレーム及びその均等物によってのみ限定される、ということが明白に意図される。

Claims (3)

  1. 原子センサであって、
    少なくとも1つのレーザ(106)を生成するように構成された少なくとも1つのレーザ源(102)と、
    前記少なくとも1つのレーザ(106)を方向付ける1又は複数の光学部品と、
    真空セル(310)であって、前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを前記真空セル(310)の中へ方向付け、前記1又は複数の光学部品と前記真空セルは、一体に結合され、前記原子センサ内の部品は、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、真空セルと、
    を備える原子センサ。
  2. 前記1又は複数の光学部品は、前記少なくとも1つのレーザを3本のレーザビームに分離して前記3本のレーザビームをプリズム(116)の中へ方向付け、前記プリズム(316)は、前記1又は複数の光学部品の一部であり、前記同様の熱膨張係数は、前記原子センサが温度の変化を経験した時に前記3本のレーザビームが同じ相対位置で交わることを確実にする、請求項1に記載の原子センサ。
  3. 原子センサを作製するための方法であって、
    少なくとも1つのレーザ源を1又は複数の光学部品に対して位置合わせするステップと、
    前記1又は複数の光学部品を真空セルに対して相互に位置合わせするステップと、
    前記少なくとも1つのレーザ源を前記1又は複数の光学部品に結合するステップと、
    前記1又は複数の光学部品を前記真空セルに結合するステップであって、前記原子センサの部品は、同様の熱膨張係数を有した材料から作製される、ステップと、
    を含む方法。
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