RU2596817C1 - Zeeman atomic beam retarder - Google Patents
Zeeman atomic beam retarder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2596817C1 RU2596817C1 RU2015113843/07A RU2015113843A RU2596817C1 RU 2596817 C1 RU2596817 C1 RU 2596817C1 RU 2015113843/07 A RU2015113843/07 A RU 2015113843/07A RU 2015113843 A RU2015113843 A RU 2015113843A RU 2596817 C1 RU2596817 C1 RU 2596817C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atomic beam
- solenoid
- atoms
- atomic
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты на пучках атомов, например, рубидия или цезия.The invention relates to the field of quantum electronics and can be used in atomic beam frequency standards for atomic beams, for example, rubidium or cesium.
Метрологические характеристики таких стандартов частоты, в частности воспроизводимость частоты, нестабильность частоты и пр., определяются шириной линии микроволнового перехода в атомах пучка рабочего вещества. Для улучшения метрологических характеристик необходимо уменьшать ширину линии атомного перехода, что возможно, например, за счет замедления скорости движения атомов пучка рабочего вещества (см. работу [1] - Ф. Риле / Стандарты частоты. Принципы и приложения // М., Физматлит, 2009, с. 166-174).The metrological characteristics of such frequency standards, in particular frequency reproducibility, frequency instability, etc., are determined by the width of the microwave transition line in the atoms of the working substance beam. To improve metrological characteristics, it is necessary to reduce the width of the atomic transition line, which is possible, for example, by slowing the speed of movement of atoms of a beam of a working substance (see [1] - F. Riehl / Frequency Standards. Principles and Applications // M., Fizmatlit, 2009, p. 166-174).
В настоящее время приготовление пучка замедленных («холодных») атомов рабочего вещества из теплового пучка, формируемого тепловым источником атомного пучка, реализуется следующими тремя основными методами.Currently, the preparation of a beam of delayed (“cold”) atoms of a working substance from a heat beam formed by a heat source of an atomic beam is realized by the following three main methods.
В первом методе, реализованном, в частности, в патенте США [2] - US 6303928, H05H 3/02, 16.10.2001, происходит контролируемое истечение атомов пучка из магнитооптической ловушки, процедура загрузки которой может использовать, например, предварительное охлаждение атомов с использованием лазерного замедления. Атомы, попадающие в область совместного воздействия световых лучей и неоднородного магнитного поля, замедляются при взаимодействии с околорезонансным светом и конденсируются в области минимального значения модуля магнитного поля, т.е. в центре ловушки. Использование специальной геометрии охлаждающих лучей, например перекрытие центральной зоны одного луча, позволяет обеспечить непрерывный поток охлажденных в ловушке атомов по направлению к зоне их регистрации.In the first method, implemented, in particular, in US patent [2] - US 6303928,
Второй метод, описанный, в частности, в работе [3] - Но Seong Lee, Sang Eon Park, Taeg Yong Kwon, Sung Hoon Yang, Hyuck Cho / Toward a cesium frequency standard based on a continuous slow atomic beam: preliminary results // IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 50, 2001, pp. 531-534, использует замедление атомов теплового пучка встречным воздействием лазерного излучения. При этом происходит компенсация доплеровского сдвига, изменяющегося вследствие взаимодействия с оптическим излучением, выполняемая таким образом, чтобы удержать атомы в постоянном резонансе с лазерным излучением и таким образом обеспечить эффективность охлаждения. Указанная компенсация реализуется изменением частоты лазерного излучения по мере пролета атомов через область взаимодействия.The second method, described in particular in [3] - But Seong Lee, Sang Eon Park, Taeg Yong Kwon, Sung Hoon Yang, Hyuck Cho / Toward a cesium frequency standard based on a continuous slow atomic beam: preliminary results // IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 50, 2001, pp. 531-534, uses the deceleration of atoms of the heat beam by the counter-action of laser radiation. This compensates for the Doppler shift, changing due to interaction with optical radiation, performed in such a way as to keep the atoms in constant resonance with the laser radiation and thus ensure cooling efficiency. The specified compensation is realized by changing the frequency of the laser radiation as atoms pass through the interaction region.
Третий метод, описанный, в частности, в работе [4] - P.N. Melentiev, P.А. Borisov and V.I. Balykin / Zeeman laser cooling of Rb-85 atoms in transverse magnetic field // Journal of experimental and theoretical physics. Vol. 98, No. 4, 2004, pp. 667-677, использует зеемановский замедлитель. В этом случае для компенсации доплеровского сдвига используется изменение частоты оптического атомного перехода во внешнем магнитном поле соленоида, неоднородном вдоль оси распространения атомного пучка. В результате зеемановский сдвиг вдоль направления распространения атомного пучка компенсирует доплеровский сдвиг, изменяющийся вследствие охлаждения атомов. Для достижения непрерывного замедления в области взаимодействия атомного пучка с полем оптического излучения пространственное изменение магнитного поля должно соответствовать градиенту доплеровского сдвига.The third method, described in particular in [4], is P.N. Melentiev, P.A. Borisov and V.I. Balykin / Zeeman laser cooling of Rb-85 atoms in transverse magnetic field // Journal of experimental and theoretical physics. Vol. 98, No. 4, 2004, pp. 667-677, uses a Zeeman moderator. In this case, to compensate for the Doppler shift, we use the change in the frequency of the optical atomic transition in the external magnetic field of the solenoid, which is inhomogeneous along the axis of propagation of the atomic beam. As a result, the Zeeman shift along the direction of propagation of the atomic beam compensates for the Doppler shift, which changes due to cooling of the atoms. To achieve continuous deceleration in the interaction region of the atomic beam with the field of optical radiation, the spatial change in the magnetic field must correspond to the gradient of the Doppler shift.
Если ν0 - начальная скорость атомов в пучке, то расстояние до полной остановки атомов равно:If ν 0 is the initial velocity of atoms in the beam, then the distance to a complete stop of atoms is:
где а - ускорение атомов в пучке (имеющее отрицательное значение).where a is the acceleration of atoms in the beam (having a negative value).
В процессе замедления скорость атома ν(z) в точке z вдоль направления распространения пучка равняется:In the process of deceleration, the atomic velocity ν (z) at the point z along the beam propagation direction is equal to:
Соответственно, доплеровский сдвиг ƒD(z) в точке z равен:Accordingly, the Doppler shift ƒ D (z) at the point z is equal to:
где λ - длина волны излучения замедляющего лазера.where λ is the wavelength of the radiation from a decelerating laser.
При этом градиент доплеровского сдвига равен:The gradient of the Doppler shift is equal to:
Пространственное изменение сдвига частоты ωB(z) за счет зеемановского расщепления атомных уровней в магнитном поле B(z) определяется какThe spatial change in the frequency shift ω B (z) due to the Zeeman splitting of atomic levels in a magnetic field B (z) is defined as
ωB(z)=(migi-mkgk)µBB(z)/ħ,ω B (z) = (m i g i -m k g k ) μ B B (z) / ħ,
где: mi, mk - магнитные квантовые числа,where: m i , m k are magnetic quantum numbers,
gi, gk - факторы Ланде для i, k магнитных подуровней;g i , g k - Landé factors for i, k magnetic sublevels;
ħ - приведенная постоянная Планка.ħ is the reduced Planck constant.
В технике зеемановского замедлителя градиент доплеровского сдвига за счет охлаждения атомов должен быть равен градиенту зеемановского расщепления за счет пространственного изменения магнитного поля:In the Zeeman moderator technique, the gradient of the Doppler shift due to cooling of the atoms should be equal to the gradient of the Zeeman splitting due to the spatial change in the magnetic field:
Из этого условия следует пространственная зависимость магнитного поля для компенсации доплеровского сдвига:From this condition follows the spatial dependence of the magnetic field to compensate for the Doppler shift:
где B(z0) - значение магнитного поля в точке z0.where B (z 0 ) is the value of the magnetic field at the point z 0 .
При этом начальное значение магнитного поля должно выбираться из условия настройки частоты лазерного излучения вблизи максимума теплового распределения (или за максимумом, если ставится цель охлаждения большего числа атомов). Максимальное ускорение, которое может получить атом при взаимодействии с полем лазерного излучения, равно:In this case, the initial value of the magnetic field should be selected from the condition for tuning the frequency of laser radiation near the maximum of the thermal distribution (or behind the maximum if the goal is to cool more atoms). The maximum acceleration that an atom can receive when interacting with a laser radiation field is:
а= ħkγ/M, a = ħkγ / M,
где: k=2π/λ,where: k = 2π / λ,
2γ - естественная ширина линии атомного перехода,2γ is the natural line width of the atomic transition,
M - масса атома.M is the mass of the atom.
Соответственно, минимальное расстояние Lmin, на котором тепловой пучок может быть остановлен за время tmin, равен:Accordingly, the minimum distance L min at which the heat beam can be stopped for a time t min is equal to:
Для теплового пучка атомов рубидия, замедляемых на переходе с длиной волны λ=780 нм и временем жизни 27 не, минимальная длина замедления составляет Lmin=75 см, время охлаждения tc=3,7 мс.For a heat beam of rubidium atoms slowed down at a transition with a wavelength of λ = 780 nm and a lifetime of 27 ns, the minimum deceleration length is L min = 75 cm, the cooling time t c = 3.7 ms.
Примером реализации зеемановского замедлителя атомного пучка является устройство, представленное в патенте [5] - US 8049162, H01S 1/00, H01S 3/00, H05H 3/02, 01.11.2011, Fig. 5, выбранное в качестве прототипа.An example of the implementation of the Zeeman atomic beam moderator is the device presented in the patent [5] - US 8049162,
Зеемановский замедлитель атомного пучка, выбранный в качестве прототипа, содержит расположенные вдоль оси распространения атомного пучка (оси пучка) источник атомного пучка и соленоид, предназначенный для формирования неоднородного магнитного поля, воздействующего на проходящий через него атомный пучок, а также оптически связанные источник встречного оптического излучения и акустооптический модулятор, предназначенные для формирования прямого и смещенных лучей, воздействующих на проходящий через соленоид атомный пучок.The Zeeman atomic beam moderator, selected as a prototype, contains an atomic beam source and a solenoid located along the axis of propagation of the atomic beam (beam axis), designed to form an inhomogeneous magnetic field acting on the atomic beam passing through it, as well as an optically coupled source of counterpropagating optical radiation and an acousto-optic modulator designed to form direct and offset beams acting on the atomic beam passing through the solenoid.
Источник встречного оптического излучения представляет собой стабилизированный лазерный источник. Акустооптический модулятор представляет собой, например, сборку из двух акустооптических модуляторов, формирующих прямой и смещенные лучи, при этом смещенные лучи имеют продольные и поперечные составляющие, а сечения результирующих траекторий смещенных лучей в плоскости, перпендикулярной оси пучка, описываются фигурами Лиссажу. Прямой луч представляет собой нулевой порядок дифракции, не отклоняемый акустооптическим модулятором.The oncoming optical radiation source is a stabilized laser source. An acousto-optic modulator is, for example, an assembly of two acousto-optic modulators forming direct and displaced beams, with displaced beams having longitudinal and transverse components, and sections of the resulting trajectories of displaced beams in a plane perpendicular to the beam axis are described by Lissajous figures. A direct beam is a zero diffraction order not deflected by an acousto-optic modulator.
Источник атомного пучка и соленоид располагаются в вакуумированном объеме, необходимая степень давления в котором поддерживается вакуумным насосом. В случае, когда акустооптический модулятор вынесен за пределы вакуумированного объема, ввод формируемых акустооптическим модулятором прямого и смещенных лучей осуществляется через соответствующее окно. Источник встречного оптического излучения и акустооптический модулятор смещены относительно оси пучка, что исключает осаждение атомов пучка на окне, через которое осуществляется ввод в вакуумированный объем лучей, поступающих с выхода акустооптического модулятора.The source of the atomic beam and the solenoid are located in a vacuum volume, the necessary degree of pressure in which is maintained by a vacuum pump. In the case when the acousto-optic modulator is moved outside the evacuated volume, the input of direct and offset beams generated by the acousto-optic modulator is carried out through the corresponding window. The source of counterpropagating optical radiation and the acousto-optic modulator are offset relative to the axis of the beam, which eliminates the deposition of beam atoms on the window through which the rays coming from the output of the acousto-optic modulator are introduced into the evacuated volume.
Устройство-прототип работает следующим образом. Расходящийся пучок атомов, созданный тепловым источником атомного пучка, взаимодействует во внутреннем пространстве соленоида с полем оптического излучения, формируемым источником встречного оптического излучения. При этом оптическое излучение, с которым взаимодействуют атомы, состоит из основного луча, направленного навстречу продольной оси пучка, и смещенных лучей, формируемых акустооптическим модулятором и имеющих поперечные составляющие. Конечная конфигурация поля оптического излучения формируется за счет отражения от внутренней поверхности соленоида, представляющей собой зеркальный конус. В результате, в каждой пространственной точке атомы пучка взаимодействуют с двухкомпонентным оптическим полем, продольная компонента которого уменьшает проекцию скорости атомов на ось пучка, а поперечная компонента осуществляет коллимацию атомов в поперечном направлении.The prototype device operates as follows. A diverging atomic beam created by a thermal source of an atomic beam interacts in the inner space of the solenoid with an optical radiation field formed by a counterpropagating optical radiation source. In this case, the optical radiation with which the atoms interact consists of a main beam directed towards the longitudinal axis of the beam and offset beams formed by an acousto-optical modulator and having transverse components. The final configuration of the optical radiation field is formed due to reflection from the inner surface of the solenoid, which is a mirror cone. As a result, at each spatial point, the atoms of the beam interact with a two-component optical field, the longitudinal component of which reduces the projection of the velocity of atoms on the axis of the beam, and the transverse component collimates the atoms in the transverse direction.
Для достижения резонансного взаимодействия между атомами в пучке и оптическим излучением, обеспечивающим уменьшение продольных скоростей атомов, используется метод изменения частоты атомного перехода посредством приложения магнитного поля, неоднородного вдоль оси пучка, т.е. метод зеемановского охлаждения. Конструктивно это осуществляется за счет использования соленоида с переменным числом витков, создающего неоднородный по оси распространения атомного пучка профиль магнитного поля. Намотка соленоида производится полым медным проводом, внутрь которого под давлением подается охлаждающая жидкость.To achieve resonant interaction between atoms in the beam and optical radiation, which provides a decrease in the longitudinal velocities of atoms, the method of changing the frequency of the atomic transition by applying a magnetic field that is inhomogeneous along the axis of the beam, i.e. Zeeman cooling method. Structurally, this is achieved through the use of a solenoid with a variable number of turns, which creates a magnetic field profile that is inhomogeneous along the axis of propagation of the atomic beam. The solenoid is winded by a hollow copper wire into which coolant is supplied under pressure.
Требования к размеру соленоида зависят от типа атомов, а также от начальной и конечной их скоростей в пучке. В прототипе длина соленоида варьируется в пределах от 20 до 50 см, при этом диаметр входного отверстия соленоида варьируется в диапазоне от 2 до 25 см, а диаметр выходного отверстия - в диапазоне от 2,5 до 40 см. Мощность, потребляемая соленоидом, находится в диапазоне от 1 до 30 кВт, оптимальная мощность составляет 14 кВт. Избыток тепла при таком энергопотреблении отводится посредством водяного охлаждения.The requirements for the size of the solenoid depend on the type of atoms, as well as on their initial and final velocities in the beam. In the prototype, the length of the solenoid varies from 20 to 50 cm, while the diameter of the inlet of the solenoid varies from 2 to 25 cm, and the diameter of the outlet in the range from 2.5 to 40 cm. The power consumed by the solenoid is range from 1 to 30 kW, the optimal power is 14 kW. Excess heat with such energy consumption is removed by water cooling.
Очевидным недостатком зеемановского замедлителя атомного пучка, выбранного в качестве прототипа, является значительный размер соленоида, и как результат - большое энергопотребление и обусловленная этим необходимость водяного охлаждения. Указанные факторы делают невозможным применение прототипа в системах с ограниченными габаритами и энергопотреблением, в частности, в бортовых системах.The obvious drawback of the Zeeman atomic beam moderator, selected as a prototype, is the significant size of the solenoid, and as a result - high energy consumption and the resulting need for water cooling. These factors make it impossible to use the prototype in systems with limited dimensions and power consumption, in particular in on-board systems.
Один из вариантов возможного решения задачи уменьшения габаритов и энергопотребления зеемановского замедлителя атомного пучка представлен в патенте [6] - RU 2490836 C1, H05H 3/02, 20.08.2013, где применен циклически-импульсный режим работы, обеспечивающий разделение атомного пучка во времени на высокоскоростную и низкоскоростную части с последующим приложением встречного оптического воздействия к низкоскоростной части. Однако это решение требует периодического прерывания атомного пучка, что снижает энергетическую эффективность устройства, а применение для этих целей механического прерывателя атомного пучка снижает надежность устройства.One of the possible solutions to the problem of reducing the size and power consumption of the Zeeman atomic beam moderator is presented in patent [6] - RU 2490836 C1,
Принципиально другой подход к достижению технического результата, заключающегося в создании зеемановского замедлителя атомного пучка с уменьшенными габаритами и энергопотреблением, применен в настоящем изобретении, в основу которого положена идея пространственного разделения исходного атомного пучка на высокоскоростную и низкоскоростную части с помощью оптической сепарации атомов и последующим приложением встречного оптического воздействия к выделенной низкоскоростной части.A fundamentally different approach to achieving the technical result, which consists in creating a Zeeman atomic beam moderator with reduced dimensions and energy consumption, was applied in the present invention, which is based on the idea of spatial separation of the initial atomic beam into high-speed and low-speed parts using optical separation of atoms and the subsequent application of the counter optical exposure to the allocated low-speed part.
Сущность изобретения заключается в следующем. Зеемановский замедлитель атомного пучка содержит источник атомного пучка, соленоид, предназначенный для формирования неоднородного магнитного поля, воздействующего на проходящий через него атомный пучок, а также оптически связанные источник встречного оптического излучения и акустооптический модулятор, предназначенные для формирования прямого и смещенных лучей, воздействующих на проходящий через соленоид атомный пучок. В отличие от прототипа введен оптический сепаратор атомного пучка, предназначенный для отклонения низкоскоростной части атомного пучка, созданного источником атомного пучка, и формирования из нее дополнительного, проходящего через соленоид отклоненного коллимированного атомного пучка.The invention consists in the following. The Zeeman atomic beam moderator contains an atomic beam source, a solenoid designed to form an inhomogeneous magnetic field acting on the atomic beam passing through it, as well as optically coupled counterpropagating optical radiation source and an acousto-optic modulator designed to form direct and biased rays acting on the transmitted atomic beam solenoid. In contrast to the prototype, an optical atomic beam separator was introduced, designed to deflect the low-speed part of the atomic beam created by the source of the atomic beam, and to form from it an additional deflected collimated atomic beam passing through the solenoid.
В варианте выполнения, имеющем практическое значение, оптический сепаратор атомного пучка содержит источник отклоняющего оптического излучения, предназначенный для отклонения низкоскоростной части атомного пучка, созданного источником атомного пучка, а также два источника поперечного оптического излучения, предназначенных для коллимирования этой отклоненной части атомного пучка.In a practical embodiment, the optical atomic beam separator comprises a deflecting optical radiation source designed to deflect the low-speed part of the atomic beam created by the atomic beam source, as well as two transverse optical radiation sources designed to collimate this deflected part of the atomic beam.
Сущность изобретения и его реализуемость поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1 и 2, где:The invention and its feasibility are illustrated by the illustrative materials presented in FIG. 1 and 2, where:
на фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого зеемановского замедлителя атомного пучка;in FIG. 1 is a structural diagram of the proposed Zeeman atomic beam moderator;
на фиг. 2 - зависимости распределения числа атомов (n) по скоростям (ν) в атомном пучке (2а - на выходе источника атомного пучка, 2б - на входе соленоида, 2в - на выходе из соленоида).in FIG. 2 - dependences of the distribution of the number of atoms (n) over the velocities (ν) in the atomic beam (2a - at the output of the source of the atomic beam, 2b - at the input of the solenoid, 2c - at the output of the solenoid).
Заявляемый зеемановский замедлитель атомного пучка содержит, см. фиг. 1, источник 1 атомного пучка, создающий на своем выходе атомный пучок 2, оптический сепаратор 3 атомного пучка, формирующий на своем выходе отклоненный коллимированный атомный пучок 4, соленоид 5, формирующий неоднородное магнитное поле, воздействующее на проходящий через него атомный пучок 4, а также оптически связанные источник 6 встречного оптического излучения и акустооптический модулятор 7, формирующий прямой 8 и смещенные 9 лучи, воздействующие на проходящий через соленоид 5 атомный пучок 4.The inventive Zeeman atomic beam moderator contains, see FIG. 1, an
В рассматриваемом примере оптический сепаратор 3 атомного пучка содержит источник 10 отклоняющего оптического излучения, формирующий отклоняющий луч 11, а также первый 12 и второй 13 источники поперечного оптического излучения, формирующие, соответственно, коллимирующие лучи 14 и 15. Источник 10 отклоняющего оптического излучения предназначен для отклонения низкоскоростной части атомного пучка 2, созданного источником 1 атомного пучка, а источники 12 и 13 поперечного оптического излучения, располагающиеся по обеим сторонам этого отклоненного атомного пучка, предназначены для его поперечного коллимирования и формирования проходящего через соленоид 5 отклоненного коллимированного атомного пучка 4.In the example under consideration, the atomic beam
В рассматриваемом примере источник 6 встречного оптического излучения, источник 10 отклоняющего оптического излучения, а также источники 12 и 13 поперечного оптического излучения представляют собой отдельные стабилизированные лазерные источники, выполненные, например, в виде полупроводниковых лазеров, стабилизированных по резонансу насыщенного поглощения в атомной среде (аналогично лазеру, описанному в работе [7] - Р.А. Borisov, P.N. Melentiev, S.N. Rudnev, V.I. Balykin / Simple System for Active Frequency Stabilization of a Diode Laser in an External Cavity // Laser Physics, Vol. 15, No. 11, 2005, pp. 1-5.). Такие лазерные источники не требуют внешнего управления, схема их питания и стабилизации параметров включает алгоритм поиска и захвата резонанса насыщенного поглощения. При практической реализации в качестве лазерного источника целесообразно использовать составной источник, состоящий из маломощного лазера с вертикальной эмиссией (VECSEL) и полупроводникового усилителя лазерного излучения.In the considered example, the
Источник 1 атомного пучка и соленоид 5 располагаются в вакуумированном объеме, необходимая степень давления в котором поддерживается вакуумным насосом 16.The
В рассматриваемом примере акустооптический модулятор 7, источник 6 встречного оптического излучения, источник 10 отклоняющего оптического излучения и источники 12 и 13 поперечного оптического излучения располагаются за пределами вакуумированного объема, при этом ввод формируемых ими лучей 8, 9, 11, 14 и 15 осуществляется через соответствующие окна (на фиг. 1 не показаны).In the considered example, the acousto-
Конфигурация вакуумированного объема, взаимное положение источника 1 атомного пучка и источника 10 отклоняющего оптического излучения, а также взаимное положение осей распространения атомного пучка 2 и отклоняющего луча 11 таковы, что обеспечивается прохождение отклоненного атомного пучка в соленоид 5.The configuration of the evacuated volume, the relative position of the
В рассматриваемом примере акустооптический модулятор 7 смещен, как и в прототипе, относительно оси соленоида 5, вдоль которой осуществляется распространение атомного пучка 4. Это исключает осаждение атомов пучка на поверхности окна, через которое осуществляется ввод в вакуумированный объем формируемых акустооптическим модулятором 7 лучей 8 и 9, что положительно сказывается на ресурсе работы. Возникающая при этом асимметрия оптической схемы, а именно, наклон луча 8 по отношению к оси распространения атомного пучка 4 в соленоиде 5, компенсируется асимметрией пространственно-временного распределения лучей 9, аналогично прототипу.In this example, the acousto-
Акустооптический модулятор 7 представляет собой, например, сборку из двух акустооптических модуляторов, формирующих прямой 8 и смещенные 9 лучи, при этом смещенные лучи 9 имеют продольные и поперечные составляющие, а сечения результирующих траекторий смещенных лучей 9 в плоскости, перпендикулярной оси распространения атомного пучка 4, описываются фигурами Лиссажу. Прямой луч 8 представляет собой нулевой порядок дифракции, не отклоняемый акустооптическим модулятором 7.The acousto-
Оптическое излучение на вход акустооптического модулятора 7 может подаваться как непосредственно с источника 6 встречного оптического излучения, так и с помощью оптоволокна (на фиг.1 не показано), что позволяет размещать в этом случае источник 6 встречного оптического излучения в произвольной области пространства.Optical radiation to the input of the acousto-
Работа заявляемого зеемановского замедлителя атомного пучка происходит следующим образом.The operation of the claimed Zeeman atomic beam moderator is as follows.
Источник 1 атомного пучка (например, тепловой источник пучка атомов рубидия) создает на своем выходе исходный атомный пучок 2, который содержит в себе высокоскоростную часть атомов (ν>ν0) и низкоскоростную часть (ν≤ν0) (см. фиг. 2а).An atomic beam source 1 (for example, a heat source of a rubidium atom beam) produces at its output an initial
На атомный пучок 2 воздействует отклоняющий луч 11, формируемый источником 10 отклоняющего оптического излучения. Отклоняющий луч 11 направлен под углом навстречу атомному пучку 2 и имеет продольную и поперечную составляющую по отношению к оси распространения атомного пучка 2. За счет указанной продольной составляющей осуществляется уменьшение проекции скорости атомов на ось распространения атомов атомного пучка 2, а за счет поперечной составляющей обеспечивается отклонение этих атомов от исходного направления. При этом в отличие от существующих схем с отклонением атомного пучка, одна из которых, например, приведена в работе [8] - Н. Wang, J.С.Camparo, and G. Iyanu / Towards Demonstration Of A Mot-Based Continuous Cold Cs-Beam Atomic Clock // 39th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting (The Aerospace Corporation), 2007, pp. 223-232, частота отклоняющего оптического излучения (отклоняющего луча 11) изначально настраивается так, чтобы обеспечить взаимодействие (отклонение и предварительное охлаждение) не со всеми атомами, испускаемыми источником 1 атомного пучка, а с наиболее медленной их частью, имеющей скорость ν≤ν0. Благодаря этому происходит селекция атомов по скорости и пространственное отделение низкоскоростной части атомов, предназначенных для дальнейшего охлаждения, от быстрых атомов пучка 2, столкновения с которыми препятствовали бы процессу охлаждения.An
Сформированный таким образом отклоненный пучок низкоскоростных атомов направляется в сторону соленоида 5, подвергаясь на своем пути воздействию оптических лучей 14 и 15, сформированных источниками 12 и 13 поперечного оптического излучения. Под действием этих лучей происходит поперечное коллимирование и дополнительное охлаждение отклоненного пучка низкоскоростных атомов. Полученный в результате коллимированный атомный пучок 4 низкоскоростных атомов (фиг. 2б) поступает на вход соленоида 5.The deflected beam of low-speed atoms formed in this way is directed towards the
Проходя через соленоид 5 атомный пучок 4 вступает во взаимодействие со встречным оптическим излучением.Passing through the
Встречное оптическое излучение, с которым взаимодействуют атомы атомного пучка 4, состоит из прямого луча 8, направленного навстречу атомному пучку 4, и смещенных лучей 9, имеющих поперечные составляющие. Конечная конфигурация поля оптического излучения внутри соленоида 5 формируется за счет отражения оптических лучей от внутренней поверхности соленоида 5. В результате, на всем пути прохождения атомного пучка 4 через соленоид 5 он взаимодействует с двухкомпонентным оптическим полем, продольная компонента которого уменьшает проекцию скорости атомов на ось соленоида 5, а поперечная компонента осуществляет коллимацию атомов в поперечном направлении. При этом напряженность магнитного поля на каждом участке соленоида 5 подобрана так, чтобы компенсировать доплеровское смещение частоты атомного резонанса в пучке пролетающих атомов, и, тем самым, на всей длине соленоида 5 обеспечить максимально эффективное торможение выбранной скоростной группы атомов встречным оптическим излучением. Как и в случае отклоняющего оптического излучения (луч 11) частота встречного оптического излучения (лучи 8 и 9) настраивается так, чтобы обеспечить эффективное торможение атомов, имеющих скорость ν≤ν0. Заторможенные таким образом атомы образуют выходной атомный пучок (фиг. 2в), поступающий с выхода соленоида 5 для последующего использования.The counter optical radiation with which the atoms of the atomic beam 4 interact consists of a direct beam 8 directed towards the atomic beam 4 and displaced
Рассмотренные процессы торможения атомов атомного пучка в соленоиде 5 аналогичны прототипу. При этом необходимая длина l соленоида 5 пропорциональна квадрату скорости атомов 
По сравнению с прототипом, реализованный в заявляемом зеемановском замедлителе атомного пучка метод пространственного разделения исходного атомного пучка на высокоскоростную и низкоскоростную части с помощью оптической сепарации атомов и последующим приложением встречного оптического воздействия к выделенной низкоскоростной части обеспечивает следующее.Compared with the prototype, the method of spatial separation of the initial atomic beam into high-speed and low-speed parts using optical separation of atoms and subsequent application of counter-optical radiation to the selected low-speed part, implemented in the inventive Zeeman atomic beam moderator, provides the following.
Во-первых, он позволяет предотвратить разогрев «медленных» атомов (ν≤ν0) столкновениями с «быстрыми» атомами (ν>ν0).Firstly, it allows to prevent the heating of “slow” atoms (ν≤ν 0 ) by collisions with “fast” atoms (ν> ν 0 ).
Во-вторых, он позволяет разделить в пространстве «быстрые» и «медленные» атомы и в дальнейшем использовать для охлаждения в соленоиде 5 только «медленные» атомы.Secondly, it allows one to separate “fast” and “slow” atoms in space and then use only “slow” atoms for cooling in
В-третьих, он позволяет существенно снизить значение рассеиваемой на соленоиде 5 мощности.Thirdly, it can significantly reduce the value of power dissipated on the
При этом заявляемый зеемановский замедлитель атомного пучка, по сравнению с устройством, представленным в патенте [6], позволяет вести процесс охлаждения непрерывно, что повышает энергетическую эффективность устройства, а отсутствие в нем механического прерывателя атомного пучка повышает надежность устройства.Moreover, the claimed Zeeman atomic beam moderator, in comparison with the device described in the patent [6], allows the cooling process to be carried out continuously, which increases the energy efficiency of the device, and the absence of a mechanical atomic beam chopper in it increases the reliability of the device.
Таким образом, в заявляемом зеемановском замедлителе атомного пучка, в отличие от прототипа, охлаждению подвергаются не все атомы, а только те, скорость которых не превышает ν0. При выборе ν0<νcp, где νcp - средняя, наиболее вероятная, скорость движения атомов атомного пучка 2, длина соленоида 5 может быть уменьшена в (ν0/νcp)2 раз по сравнению с прототипом. Это приводит к уменьшению количества охлаждаемых атомов, например, при ν0=vcp/3 количество охлаждаемых атомов составит 1,24% от общего числа атомов в пучке, а при ν0=vcp/4 количество охлаждаемых атомов составит 0,18% от общего числа атомов в пучке. Однако указанная потеря числа атомов в метрологическом смысле компенсируется возможностью их глубокого охлаждения до скоростей (1-10) м/с и соответствующим уменьшением ширины линии атомного резонанса.Thus, in the inventive Zeeman atomic beam moderator, unlike the prototype, not all atoms are cooled, but only those whose speed does not exceed ν 0 . When choosing ν 0 <ν cp , where ν cp is the average, most probable, speed of movement of atoms of the
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании зеемановского замедлителя атомного пучка с уменьшенными, по сравнению с прототипом, габаритами и энергопотреблением.The above shows that the claimed invention is feasible and ensures the achievement of a technical result, which consists in creating a Zeeman atomic beam moderator with reduced, in comparison with the prototype, dimensions and power consumption.
Так, в практически значимом случае, соответствующем рассмотренному выше трехкратному уменьшению скорости (ν0=vcp/3), длина соленоида 5 уменьшается в девять раз и составляет для пучка атомов рубидия всего 8,34 см, а мощность, рассеиваемая на соленоиде 5, за счет уменьшения длины соленоида 5 снижается в восемьдесят один раз и составляет всего 173 Вт, что существенно ниже, чем в прототипе.So, in the practically significant case corresponding to the three-fold decrease in speed considered above (ν 0 = v cp / 3), the length of
Источники информацииInformation sources
1. Ф. Риле / Стандарты частоты. Принципы и приложения // М., Физматлит, 2009, с. 166-174.1. F. Riehl / Frequency Standards. Principles and applications // M., Fizmatlit, 2009, p. 166-174.
2. US 6303928, H05H 3/02, опубл. 16.10.2001.2. US 6303928,
3. Но Seong Lee, Sang Eon Park, Taeg Yong Kwon, Sung Hoon Yang, Hyuck Cho / Toward a cesium frequency standard based on a continuous slow atomic beam: preliminary results // IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 50, 2001, pp. 531-534.3. But Seong Lee, Sang Eon Park, Taeg Yong Kwon, Sung Hoon Yang, Hyuck Cho / Toward a cesium frequency standard based on a continuous slow atomic beam: preliminary results // IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 50, 2001, pp. 531-534.
4. P.N. Melentiev, P.A. Borisov and V.I. Balykin / Zeeman laser cooling of Rb-85 atoms in transverse magnetic field // Journal of experimental and theoretical physics, Vol. 98, No. 4, 2004, pp. 667-677.4. P.N. Melentiev, P.A. Borisov and V.I. Balykin / Zeeman laser cooling of Rb-85 atoms in transverse magnetic field // Journal of experimental and theoretical physics, Vol. 98, No. 4, 2004, pp. 667-677.
5. US 8049162, H01S 1/00, H01S 3/00, H05H 3/02, опубл. 01.11.2011.5. US 8049162,
6. RU 2490836 C1, H05H 3/02, опубл. 20.08.2013.6. RU 2490836 C1,
7. P.A. Borisov, P.N. Melentiev, S.N. Rudnev, V.I. Balykin / Simple System for Active Frequency Stabilization of a Diode Laser in an External Cavity // Laser Physics, Vol. 15, No. 11, 2005, pp. 1-5.7. P.A. Borisov, P.N. Melentiev, S.N. Rudnev, V.I. Balykin / Simple System for Active Frequency Stabilization of a Diode Laser in an External Cavity // Laser Physics, Vol. 15, No. 11, 2005, pp. 1-5.
8. H. Wang, J.C. Camparo, and G. Iyanu / Towards Demonstration Of A Mot-Based Continuous Cold Cs-Beam Atomic Clock // 39th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting (The Aerospace Corporation), 2007, pp. 223-232.8. H. Wang, J.C. Camparo, and G. Iyanu / Towards Demonstration Of A Mot-Based Continuous Cold Cs-Beam Atomic Clock // 39th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting (The Aerospace Corporation), 2007, pp. 223-232.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113843/07A RU2596817C1 (en) | 2015-04-14 | 2015-04-14 | Zeeman atomic beam retarder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113843/07A RU2596817C1 (en) | 2015-04-14 | 2015-04-14 | Zeeman atomic beam retarder |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2596817C1 true RU2596817C1 (en) | 2016-09-10 |
Family
ID=56892572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015113843/07A RU2596817C1 (en) | 2015-04-14 | 2015-04-14 | Zeeman atomic beam retarder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2596817C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8049162B2 (en) * | 2006-06-22 | 2011-11-01 | Sony Deutschland Gmbh | Zeeman-slower, coil for a Zeeman-slower device and a method for cooling an atom beam |
| US8237105B1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-07 | Northrop Grumman Guidance & Electronics Company, Inc. | Magneto-optical trap for cold atom beam source |
| RU124846U1 (en) * | 2012-05-12 | 2013-02-10 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | ZEEMANOVSKY Slowdown of the atomic beam |
| RU2490836C1 (en) * | 2012-05-12 | 2013-08-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Zeeman atomic beam retarder |
-
2015
- 2015-04-14 RU RU2015113843/07A patent/RU2596817C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8049162B2 (en) * | 2006-06-22 | 2011-11-01 | Sony Deutschland Gmbh | Zeeman-slower, coil for a Zeeman-slower device and a method for cooling an atom beam |
| US8237105B1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-07 | Northrop Grumman Guidance & Electronics Company, Inc. | Magneto-optical trap for cold atom beam source |
| RU124846U1 (en) * | 2012-05-12 | 2013-02-10 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | ZEEMANOVSKY Slowdown of the atomic beam |
| RU2490836C1 (en) * | 2012-05-12 | 2013-08-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Zeeman atomic beam retarder |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5495515A (en) | Method and apparatus for producing high-intensity X-rays or γ-rays | |
| Schroeder et al. | Physics considerations for laser-plasma linear colliders | |
| JP5030772B2 (en) | System and method for generating X-rays by Compton backscattering | |
| Yi et al. | Bright x-ray source from a laser-driven microplasma waveguide | |
| Balykin et al. | Laser optics of neutral atomic beams | |
| US11831122B2 (en) | Free electron laser orbital debris removal system | |
| KR20170042724A (en) | Free electron laser radiation source for the euv | |
| US9370085B2 (en) | Compact, all-optical generation of coherent X-rays | |
| Martinez de la Ossa et al. | Wakefield-induced ionization injection in beam-driven plasma accelerators | |
| EP3799077A1 (en) | Cold atom beam generation method, cold atom beam generation device, and atomic interferometer | |
| Muggli et al. | Review of high-energy plasma wakefield experiments | |
| WO2016067343A1 (en) | Laser device and extreme ultraviolet light generation device | |
| Kumar et al. | Laser wakefield and direct laser acceleration of electron in plasma bubble regime with circularly polarized laser pulse | |
| Rovige et al. | Optimization and stabilization of a kilohertz laser-plasma accelerator | |
| Li et al. | Ultrabright electron bunch injection in a plasma wakefield driven by a superluminal flying focus electron beam | |
| Zhang et al. | Effect of fluctuations in the down ramp plasma source profile on the emittance and current profile of the self-injected beam in a plasma wakefield accelerator | |
| Chaulagain et al. | LWFA-driven betatron source for Plasma Physics Platform at ELI Beamlines | |
| JP4822267B2 (en) | Dual-band short-pulse high-intensity light source device | |
| RU2596817C1 (en) | Zeeman atomic beam retarder | |
| RU2490836C1 (en) | Zeeman atomic beam retarder | |
| RU124846U1 (en) | ZEEMANOVSKY Slowdown of the atomic beam | |
| Kim et al. | Cold atomic beam produced by a conical mirror funnel | |
| US10736205B2 (en) | Electron beam transport system | |
| Kimura et al. | The stimulated Cerenkov interaction and its applications | |
| Rovige et al. | Carrier-envelope phase controlled dynamics of relativistic electron beams in a laser-wakefield accelerator |