KR20190140650A - 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 2차원 광자기 포획 시스템으로서, 진공 상태가 유지되고 포획의 대상이 되는 원자가 주입되는 유리 셀, 상기 유리 셀의 상면, 배면, 전면 및 후면에 배치되어 상기 유리 셀 내부에 자기장을 형성시키는 코일 세트 및 상기 유리 셀 내의 원자를 2차원으로 포획하기 위해 상기 유리 셀의 상면, 배면, 전면 및 후면으로 레이저 광을 입사시키는 광원 모듈을 포함하고, 상기 광원 모듈은, 상기 원자의 포화 흡수 신호 중 하나의 피크에 고정되는 주파수의 광이 출력되는 냉각 레이저, 상기 원자의 포화 흡수 신호 중 다른 하나의 피크에 고정되는 주파수의 광이 출력되는 재펌핑 레이저, 상기 냉각 레이저에서 출력되는 광의 주파수를 디튜닝시키는 제1 음향-광학 변조기, 상기 재펌핑 레이저에서 출력되는 광의 주파수를 디튜닝시키는 제2 음향-광학 변조기 및 상기 제1 음향-광학 변조기 및 제2 음향- 광학 변조기를 통과한 냉각 레이저 광 및 재펌핑 레이저 광의 선폭을 확장시키는 전기-광학 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템이다.

Description

주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템{Two-dimensional magnetic-optical trap using frequency modulation}
본 발명은 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이저의 주파수 변조를 통해 레이저의 선폭을 변화시킴으로써 원자빔 선속이 향상된 2차원 광자기 포획 시스템에 관한 것이다.
질량수 40인 칼륨(40K)은 방사성 동위 원소임에도 불구하고 충분히 긴 반감기를 가져서 물리학, 생물학 및 지질학(geochronology)의 실험에 사용된다. 40K에 대한 많은 응용이 방사능 붕괴 특성을 이용하지만, 원자 물리학자는 현재 레이저 냉각될 수 있는 두 개의 안정한 페르미온 알칼리 원자 중 하나이기 때문에 이 동위 원소에 많은 관심을 보인다. 일단 레이저 냉각되면, 극저온 원자는 양자 정밀 측정과 양자 정보에서 다양한 실험에 사용될 수 있다. 극저온 보존 원자에 비교해 페르미온은 동일한 양자 상태에 있는 것을 방지하는 Fermi통계를 따른다. 이 속성은 고정밀 양자 센서 개발에 사용하기 위해 억제된 충돌 동역학(suppressed collisional dynamics)을 관찰하는 극저온 원자 샘플을 생성하기 위한 기초를 제공한다. 원자 기반 양자 시뮬레이터에서 보존과 함께 페르미온을 가짐으로써, 특히 포획된 원자들이 고체에서 전자에 상응하는 응축 물질 물리학을 시뮬레이션하는 것과 관련된 실험에서, 넓은 범위의 실험의 잠재적인 결과를 향상시킨다.
특히, 40K는 6Li에 비해 상대적으로 무거운 알칼리이므로 레이저 냉각 및 포획에 많은 이점을 제공한다. 6Li는 Zeeman slower를 구현하기에 충분히 높은(7.5%) 자연 존재비을 가지고 있지만, 40K에 대한 자연 존재비는 매우 낮아(0.012%), 고선속 원자 빔 소스를 위한 Zeeman slower를 직접 적용하는 것은 매우 어렵다. 불행히도, 40K를 사용하는 대부분의 실험은 적절한 포획된 원자 수를 위해 동위원소 농축 소스를 필요로 하는데, 일반적으로 약 5%까지이다.
레이저 냉각 실험을 위한 이러한 농축 소스를 얻으려면 현재 디스펜서(dispenser)를 제작하는 시간 소모적인 프로세스를 거치거나 사전 제작된 소스를 높은 비용으로 구매하는 것이 필요하다. 그러므로 40K 원자를 사용하는 실험이 더 나은 원자 포획 효율을 위한 새로운 기술을 채택하는 것이 특히 중요하다.
많은 실험에서 2차원 광자기 포획(2D MOT)이 레이저 냉각을 위한 원자빔 선속 소스를 얻기 위한 선택 방법이다. 2D MOT는 배경 압력을 낮게 유지하면서 출력 원자빔 선속의 느린 속도, 수십 밀리 초로 인해, Zeeman slower 및 배경 증기와 같은 다른 원자 소스에 비해 상당한 이점이 있다. 이 느린 원자는 3차원 광자기 포획(3D MOT)에 의해 효율적으로 포착되어 서브 도플러 영역으로 추가 냉각되어 극저온 원자를 생성할 수 있다. 또한, 전반적인 시스템 크기는 Zeeman slower에 비해 상대적으로 작아지는 경향이 있으며 레이저 광 전달 기술의 발전으로 더 소형화될 가능성이 높다. 원자빔 선속은 2D MOT 레이저 빔을 제어하여 쉽고 효과적으로 켜고 끌 수 있다.
종래의 주파수 변조되지 않은 2D MOT의 경우 레이저 세기를 증가시켜도 원자빔 선속이 증가하지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 2차원 광자기 포획 시스템에서 포획을 담당하는 냉각 레이저와 재펌핑 레이저 주파수를 전기-광학 변조기(EOM)로 변조하고 선폭이 넓어진 레이저 광을 원자 포획에 적용함으로써 포획된 원자의 원자빔 선속을 향상시키는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 광자기 포획 시스템은 진공 상태가 유지되고 포획의 대상이 되는 원자가 주입되는 유리 셀; 상기 유리 셀의 상면, 배면, 전면 및 후면에 배치되어 상기 유리 셀 내부에 자기장을 형성시키는 코일 세트; 및 상기 유리 셀 내의 원자를 2차원으로 포획하기 위해 상기 유리 셀의 상면, 배면, 전면 및 후면으로 레이저 광을 입사시키는 광원 모듈;을 포함하고, 상기 광원 모듈은, 상기 원자의 포화 흡수 신호 중 하나의 피크에 고정되는 주파수의 광이 출력되는 냉각 레이저; 상기 원자의 포화 흡수 신호 중 다른 하나의 피크에 고정되는 주파수의 광이 출력되는 재펌핑 레이저; 상기 냉각 레이저에서 출력되는 광의 주파수를 디튜닝시키는 제1 음향-광학 변조기; 상기 재펌핑 레이저에서 출력되는 광의 주파수를 디튜닝시키는 제2 음향-광학 변조기; 및 상기 제1 음향-광학 변조기 및 제2 음향-광학 변조기를 통과한 냉각 레이저 광 및 재펌핑 레이저 광의 선폭을 확장시키는 전기-광학 변조기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포획의 대상이 되는 원자는 질량수 40인 칼륨(40K)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기-광학 변조기의 변조 주파수가 10MHz인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기-광학 변조기에 의해 확장된 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광의 선폭은 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광의 각각의 중심 주파수를 중심으로 ±50MHz 범위에서 대칭되는 사이드 밴드를 형성하여 확장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코일 세트는, 상기 유리 셀의 상면과 배면에 각각 배치되고 안티-헬름홀츠 코일 방식으로 자기장을 형성시키는 제1 코일 쌍; 및 상기 유리 셀의 전면과 후면에 각각 배치되고 안티-헬름홀츠 코일 방식으로 자기장을 형성시키는 제2 코일 쌍을 포함하며, 상기 유리 셀의 내부 공간에 자기장 기울기를 형성시키고 상기 원자가 포획되는 위치에 자기장 값이 영이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유리 셀 내의 전체 배경 압력은 5 × 10-9 Torr 이하로 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원 모듈은 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광이 상기 전기-광학 변조기를 통과하고 난 후, 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광의 세기를 증폭시키는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원 모듈은 상기 전기-광학 변조기를 통과한 상기 냉각 레이저 광과 상기 재펌핑 레이저 광이 상기 증폭기로 전달되도록 상기 냉각 레이저 광 및 상기 재펌핑 레이저 광과 결합하는 제1 광섬유; 및 상기 증폭기에서 증폭된 상기 냉각 레이저 광과 상기 재펌핑 레이저 광이 상기 유리 셀에 전달되도록 상기 냉각 레이저 광 및 상기 재펌핑 레이저 광과 결합하는 제2 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템은 냉각 및 재펌핑 레이저 광의 변조로부터 일반적인 2차원 광자기 포획 시스템과 비교하여 3.7배 향상된 원자빔 선속 출력을 얻을 수 있다.
또한, 현재 레이저 냉각될 수 있는 두 개의 안정한 페르미온 알칼리 원자 중 하나인 40K의 냉각 효율을 높이는 것은 40K의 자연 존재비가 매우 낮고 농축된 40K 증기 소스의 생산 비용이 높다는 점에서 중요한 개선이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 단면도 및 자기력선을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 광원 모듈의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기-광학 변조기를 통해 변조된 레이저 파형을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 40K 원자의 D2 라인 에너지 준위 및 광원 모듈의 출력 레이저의 주파수 및 파형을 도시한 도면이다.
도 7은 레이저 세기가 640mW일 때 변조 지수의 값에 따른 원자빔 선폭을 나타내는 도면이다.
도 8은 광원 모듈의 레이저를 변조한 경우와 변조를 안 한 경우에 레이저 세기에 따른 원자빔 선속을 나타내는 도면이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 사시도를 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 개념도를 나타내며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 단면도 및 자기력선을 도시한다.
도 1 내지 도3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템은 광원 모듈(400), 유리 셀(100), 코일 세트(200) 및 차압 튜브(300)로 구성된다. 유리 셀(100)은 직육면체의 형상으로서, 동일한 직사각형의 형상 및 동일한 면적을 가지는 전면, 후면, 상면, 및 배면과 동일한 정사각형의 형상 및 동일한 면적을 가지는 좌측면과 우측면으로 이루어진다. 또한 우측면은 개구가 존재하여 개구를 통하여 유리 셀 내를 진공으로 만드는 펌프(미도시)와 연결되고 포획 대상의 원자가 주입된다. 따라서 원자는 유리 셀(100)에서 40K의 약 2 × 10-10 Torr 부분 압력을 유지하도록 작동하는 40K 농축(5 %) 디스펜서에 의해 공급되고 유리 셀(100) 내의 전체 배경 압력은 2D MOT를 작동하면서 이온 게이지로 측정한 결과 5 × 10-9 Torr 이하이다.
수평 방향(x방향)과 수직 방향(y방향)의 2세트의 역으로 전파하는, 즉 유리 셀의 전면, 후면, 상면 및 배면에 직교하여 유리 셀 외부에서 내부를 향해 전파하는, 광원 모듈(400)에서 출력되는 레이저 광은 2D MOT을 형성하기 위해 유리 셀(100) 내에서 직각으로 교차한다. 구체적으로 도 2에 나타난 바와 같이, 2D MOT을 형성하기 위한 레이저 광은 유리 셀의 상면을 향하는 레이저 광(410), 유리 셀의 배면을 향하는 레이저 광(420), 유리 셀의 전면을 향하는 레이저 광(430) 및 유리 셀의 후면을 향하는 레이저 광(440)이다. 이 광들(410, 420, 430, 440)은 가늘고 긴 가우스 프로파일을 가진다.
코일 세트(200)는 도 2의 코일 상에 도시된 화살표의 방향으로 각 코일에 같은 값의 전류가 흐르는, 즉, 안티-헬름홀츠(anti-Helmholtz) 배열로 구성되는 제1 코일 쌍(210) 및 제2 코일 쌍(220)으로 이루어지고, 0에서 32G/cm까지의 범위에서, x축(∂Bx/∂x|y=0) 및 y축(∂By/∂y|x=0)을 따라 기울기(gradient) 자기장을 형성한다. 두 개의 코일 쌍의 2차원 축 대칭으로 인해, 2D MOT에 의해 포획된 원자가 위치한 z축(Bz|x=0,y=0)을 따르는 자기장은 “0”이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 X-Y평면에 대한 단면도로서 코일 세트(200)에 의한 유리 셀 주위의 자기력선을 도시한다. 제1 코일 쌍(210)은 유리 셀의 상면과 배면에 위치하며 상기에서 설명한 바와 같이 안티-헬름홀츠 배열의 자기력선을 형성하도록 전류 방향을 설정한다. 또한 제2 코일 쌍(220)은 유리 셀의 전면과 후면에 위치하며 상기에서 설명한 바와 같이 안티-헬름홀츠 배열의 자기력선을 형성하도록 전류 방향을 설정한다.
상기 코일 세트(200)에 의해 기울기가 형성된 자기장의 기하학적 구조는 z방향을 따라 레이저 냉각된 원자에 작용하는 원치 않는 힘을 방지한다. z축을 따라 원자에 힘을 적용하기 위해 2색 푸시 빔(450) 방식을 사용한다. 따라서 별도의 진공 유리 셀에서 효율적인 후속 재포획을 위해, 푸시 빔 파라미터를 제어함으로써 2D MOT(z축을 따라)에서 빠져 나가는 원자의 속도 분포를 조정한다. 적색 및 청색 디튜닝된 푸시 빔은 2D MOT 위치에서 각각 4mm 및 1mm의 빔 직경을 갖도록 시준된다.
길이 100mm 및 내경 4mm의 차압 튜브(300)는 3D MOT 유리 셀에서 2D MOT 유리 셀을 분리하여, 104 이상의 압력 차이를 제공한다. 2D MOT에서 포획된 원자는 차압 튜브(300)를 통해 3D MOT(미도시)에서 재포획되기 위해 이동한다. 3D MOT은 2D MOT에서 450mm 떨어진 곳에 배치된다. 한 쌍의 안티-헬름홀츠 자기 코일은 약 14G/cm의 기울기 자기장을 제공한다. 12mm 빔 웨이스트를 가지고 역전파하는 MOT 빔의 3개의 직교 쌍은, 수직 방향으로 1쌍과 z방향에 대해 45°로 2쌍, 2D MOT에서 유입되는 원자를 레이저 냉각시키고 포획한다. 냉각 및 재펌핑 전이에 사용된 총 3D MOT 빔 세기는 각각 80mW 및 20mW이다.
2D MOT와 달리 3D MOT에는 주파수 변조된 레이저 광이 사용되지 않는다. 3D MOT의 포획 속도는 2D MOT + 2색 푸시 빔 소스의 평균 원자빔 선속(약 25m/s)보다 3배 이상 큰 약 80m/s로 계산된다. 또한, 차압 튜브(300)를 통과하는 2D MOT의 모든 원자는 3D MOT에서 재포획되는 것으로 간주된다.
따라서 원자빔 소스로서의 2D MOT의 성능은 2D MOT이 켜진 직후에 3D MOT의 성장률을 측정함으로써 결정된다. 특히, 차압 튜브(300)를 통과하는 2D MOT로부터의 원자빔 선속이 3D MOT 부하율(loading rate)과 동일하다고 가정한다. 원자빔 선속에 대한 이러한 변환이 거듭되는 것을 보장하기 위해 푸시 빔은 변조되지 않은 상태로 유지된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템의 광원 모듈의 구성도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템에서의 광원 모듈은 두 개의 레이저, 각 레이저의 출력 주파수를 적색 디튜닝시키는 제1 및 제2 음향-광학 변조기, 레이저 선폭을 확장시키는 전기-광학 변조기 및 레이저 세기를 증폭시키는 증폭기로 구성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기-광학 변조기를 통해 변조된 레이저 파형을 나타내고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 40K 원자의 D2 라인 에너지 준위 및 광원 모듈의 출력 레이저의 주파수 및 파형을 도시한다.
도 5 및 6을 참조하면, 페르미온 알칼리 원자를 위한 2D MOT를 구성할 때, 보존 알칼리 원자와 비교되는, 원자 에너지 준위의 비정형 초미세 구조가 고려되어야 한다. 40K와 6Li는, 87Rb, 133Cs 및 39K와 같이 보다 일반적으로 레이저로 냉각된 원자와 비교하여 반전된 초미세 구조를 유도하는, 전자스핀과 반대되는 큰 핵스핀을 가지고 있다. 특히, 40K의 경우, 2P3/2상태의 4개의 여기된 초미세 준위가 있으며, 여기서 최대 총 각운동량 상태 F´=11/2의 에너지가 가장 낮다. 바닥상태 2S1/2는 약 1.3GHz로 분리된 2개의 초미세 준위 F=7/2와 F=9/2를 가진다.
2개의 외부 공동 다이오드 레이저(ECDL)는 가열된 증기 셀에서 39K 원자의 포화 흡수 신호에 주파수가 고정된다. 제2 음향-광학 변조기(AOM)는 40K의 재펌핑 전이(F=7/2→F´=9/2)의 공진 근처에서 ECDL 방식의 재펌핑 레이저 광의 주파수(ωrep)를 디튜닝(Δrep)시킨다. 증기 셀 흡수 신호를 참조하는 독립적인 오프셋-잠금 레이저 광은 제1 음향-광학 변조기를 통하여 40K의 냉각 전이(F=9/2→F´=11/2) 근처에서 쿨링 레이저 주파수(ωcool)를 디튜닝(Δcool)시킨다.
두 개의 ECDL을 여기에서부터 냉각 및 재펌핑 레이저라고 칭한다. 냉각 및 재펌핑 레이저 광은 모두 결합되어 레이저 선폭을 효과적으로 확장시키기 위해 전기-광학 변조기(EOM)를 통해 두 번 통과(double-passed)한다. EOM은 10MHz에서 공진하는 가장 일반적인 정현파(sinusoidal) 방식의 주파수 변조를 행하여 레이저의 선폭을 증가시킨다. 이러한 레이저의 선폭 모양이 가장 효율적인 레이저의 주파수 분포는 아니며, multi-component sinusoidal 주파수 변조 방식이나 arbitrary 주파수 변조 방식을 통하여 더욱 효율적인 방식의 주파수 변조를 수행할 수 있다. 주파수 변조의 목적은 서로 다른 속도 등급의 원자들을 효율적으로 레이저 냉각시키는 것으로 설정하여, 단일 EOM을 통한 동일한 변조 지수(modulation index) β로 냉각 및 재펌핑 레이저를 변조한다.
도 5는 전기-광학 변조기를 통해 변조된 레이저 파형을 도시하며 사이드 밴드를 형성하여 레이서 선폭을 넓혀서 원자의 포획 속도 범위를 넓히는 효과가 있다. 여기서, 변조된 레이저 광의 선폭은 2βfmod로서 대략 100MHz 정도로 분포되며 두 레이저의 최적 주파수인 중심 주파수를 중심으로 대략 ±50MHz 범위에서 대칭되는 사이드 밴드를 형성하여 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저의 선폭을 확장시킨다.(여기서, β=Δf/fmod는 변조 지수이고 Δf는 중심 주파수로 부터의 피크 주파수 편차이며, fmod는 변조 주파수 10MHz이다.)
결합된 레이저 광은 편광-유지(PM:polarization-maintaining) 단일 모드 광섬유에 커플링되어 증폭을 위해 테이퍼형 증폭기(TA:tapered amplifier)로 전달된다. 증폭된 냉각 및 재펌핑 레이저 광은 다시 PM 광섬유에 커플링되어 2D MOT로 전달된다. 냉각 및 재펌핑 전이에 상응하는 레이저 세기는 TA에서 증폭되기 전에 비례-적분-미분(PID) 피드백을 통해 제어되는 AOM에 의해 독립적으로 조정되며 5MHz 분해능의 Fabry-Perot 분광기를 사용하여 측정된다. 냉각 및 재펌핑 레이저 광의 중심 주파수는 진폭을 제어하는 동일한 AOM으로 조정된다. 3D MOT을 위한 레이저 광은 2D MOT 광선과 독립적으로 제어되며 증폭을 위해 자체 TA로 별도의 경로를 통해 전달된다.
도 7은 레이저 세기가 640mW일 때 변조 지수의 값에 따른 원자빔 선폭을 나타내고 도 8은 광원 모듈의 레이저를 변조한 경우와 변조를 안 한 경우에 레이저 세기에 따른 원자빔 선속을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 변조 지수 β가 증가할수록, 레이저의 선폭이 늘어나게 되며, 이는 원자의 포획 속도를 증가시켜 더 높은 2D MOT 성능을 보여준다. 변조 지수가 약 5일 때 최대의 원자빔 선속을 얻을 수 있다. 이보다 높은 변조 지수는 레이저의 주파수 분포를 너무 넓게 만들어, 레이저 주파수의 사이드 밴드 각각의 레이저 세기 및 냉각 효율을 떨어뜨리게 된다. 이로 인하여 전체적인 냉각 효율이 감소한다.
도 8을 참조하면, 비교를 위해 레이저 광을 변조하지 않은 보통의 2D MOT의 원자빔 선속도 플롯한다. 보통의 MOT에서는 원자빔 선속이 레이저 세기 I=10Isat 근처에서 빠르게 포화 상태가 된다. 여기서 Isat는 포화 세기를 나타낸다. 변조된 경우는 레이저 세기에 따라 원자빔 선속이 지속적으로 증가할 수 있음을 명확하게 보여준다. D1 전이 또는 다광자 전이를 고려하지 않은 본 발명의 가정 내에서 레이저 세기를 더 증가시키면 더 높은 원자빔 선속을 얻을 수 있는 가능성을 제시한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 유리 셀
200 : 코일 세트
210 : 제1 코일 쌍 220 : 제2 코일 쌍
300 : 차압 튜브
400 : 광원 모듈

Claims (8)

  1. 2차원 광자기 포획 시스템으로서,
    진공 상태가 유지되고 포획의 대상이 되는 원자가 주입되는 유리 셀;
    상기 유리 셀의 상면, 배면, 전면 및 후면에 배치되어 상기 유리 셀 내부에 자기장을 형성시키는 코일 세트; 및
    상기 유리 셀 내의 원자를 2차원으로 포획하기 위해 상기 유리 셀의 상면, 배면, 전면 및 후면으로 레이저 광을 입사시키는 광원 모듈;을 포함하고,
    상기 광원 모듈은, 상기 원자의 포화 흡수 신호 중 하나의 피크에 고정되는 주파수의 광이 출력되는 냉각 레이저;
    상기 원자의 포화 흡수 신호 중 다른 하나의 피크에 고정되는 주파수의 광이 출력되는 재펌핑 레이저;
    상기 냉각 레이저에서 출력되는 광의 주파수를 디튜닝시키는 제1 음향-광학 변조기;
    상기 재펌핑 레이저에서 출력되는 광의 주파수를 디튜닝시키는 제2 음향-광학 변조기; 및
    상기 제1 음향-광학 변조기 및 제2 음향-광학 변조기를 통과한 냉각 레이저 광 및 재펌핑 레이저 광의 선폭을 확장시키는 전기-광학 변조기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포획의 대상이 되는 원자는 질량수 40인 칼륨(40K)인 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기-광학 변조기의 변조 주파수가 10MHz인 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기-광학 변조기에 의해 확장된 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광의 선폭은 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광의 각각의 중심 주파수를 중심으로 ±50MHz 범위에서 대칭되는 사이드 밴드를 형성하여 확장되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일 세트는,
    상기 유리 셀의 상면과 배면에 각각 배치되고 안티-헬름홀츠 코일 방식으로 자기장을 형성시키는 제1 코일 쌍; 및
    상기 유리 셀의 전면과 후면에 각각 배치되고 안티-헬름홀츠 코일 방식으로 자기장을 형성시키는 제2 코일 쌍을 포함하며,
    상기 유리 셀의 내부 공간에 자기장 기울기를 형성시키고 상기 원자가 포획되는 위치에 자기장 값이 영이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리 셀 내의 전체 배경 압력은 5 × 10-9 Torr 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원 모듈은 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광이 상기 전기-광학 변조기를 통과하고 난 후, 상기 냉각 레이저 및 재펌핑 레이저 광의 세기를 증폭시키는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원 모듈은 상기 전기-광학 변조기를 통과한 상기 냉각 레이저 광과 상기 재펌핑 레이저 광이 상기 증폭기로 전달되도록 상기 냉각 레이저 광 및 상기 재펌핑 레이저 광과 결합하는 제1 광섬유; 및
    상기 증폭기에서 증폭된 상기 냉각 레이저 광과 상기 재펌핑 레이저 광이 상기 유리 셀에 전달되도록 상기 냉각 레이저 광 및 상기 재펌핑 레이저 광과 결합하는 제2 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 2차원 광자기 포획 시스템.
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