專利名稱：塞曼減速儀、用于塞曼減速儀器件的線圈和用于冷卻原子束的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塞曼減速儀(Zeeman- slower)、布置在塞曼減速儀器 件中的線圈以及用于冷卻原子束的方法。
背景技術(shù)：
塞曼減速儀包括產(chǎn)生縱向減少磁場(chǎng)的線圈和降低原子的縱向速度 的激光。這種效應(yīng)還稱為激光冷卻。為了降低原子的橫向速度，處于線 圈下游的另外的激光器件在一個(gè)或兩個(gè)橫向方向上降低了原子的橫向 速度，從而提供原子束的橫向準(zhǔn)直。YoshiteruKondo等人在應(yīng)用物理曰 文期刊(Japanese Journal of applied physics )第36巻第1部分第2期第 905 - 909頁(yè)上發(fā)表的公開文獻(xiàn)"Influence of the magnetic field gradient on the extraction of slow sodium atoms outside the solenoid in the Zeeman-slower"中，描述了 一種用于冷卻原子束的冷卻裝置，其中塞曼 減速儀提供了縱向減速。在布置在螺線圈或線圏下游的第二級(jí)(stage) 中，在橫向上對(duì)原子進(jìn)行減速。
在已知激光冷卻裝置中，使用了至少兩個(gè)分離的激光冷卻裝備，一 個(gè)用于縱向冷卻， 一個(gè)用于橫向冷卻，它們都必須與原子束對(duì)齊。加熱 室(oven)產(chǎn)生熱原子束，該熱原子束在第一線圈中被縱向減速。在第 一縱向減速之后，執(zhí)行橫向減速。然而，僅僅與第一線圈的通道相匹配 的方向的原子能夠進(jìn)一步被第二線圈減速。這限制了由塞曼減速儀提供 的原子通量，從而導(dǎo)致了如果用于沉積的話較長(zhǎng)處理間隔。因此，本發(fā) 明的目的是提供允許較高原子通量的塞曼減速儀。

發(fā)明內(nèi)容
這個(gè)目的是通過權(quán)利要求1的塞曼減速儀、權(quán)利要求12的線圈、權(quán)利要求13的用于冷卻原子束的方法來解決。
權(quán)利要求1的塞曼減速儀具有冷卻部分，冷卻部分包括沿縱軸延伸 的內(nèi)部通道，內(nèi)部通道具有與縱軸垂直的橫截面。依據(jù)本發(fā)明，至少在 冷卻部分中內(nèi)部通道的對(duì)黃截面的面積沿縱軸單調(diào)增加。在本發(fā)明的意 思中"單調(diào)，，增加既覆蓋"嚴(yán)格單調(diào)"增加，即在沿縱軸行進(jìn)時(shí)真正的 增加橫截面積，而沒有任何恒定的橫截面積，和一般的單調(diào)增加以及更 寬意義上的單調(diào)增加，即覆蓋兩個(gè)部分，嚴(yán)格增加，但是或許在沿著縱 軸的某面積或區(qū)域處橫截面的面積保持恒定。
在本發(fā)明的意思中"內(nèi)部通道"必須被理解為由線圏的內(nèi)側(cè)所圍繞
的完整物理空間。另外，磁場(chǎng)的縱向分量是沿著內(nèi)部通道的縱軸L的磁 場(chǎng)的分量。
沿冷卻部分的該延伸通道考慮了由加熱室所發(fā)射的原子束的延伸。 沿縱軸從輸入端開始至輸出端的通道的單調(diào)增加確保了 與縱軸不同方 向的原子也能夠?qū)ν孔鞒鲐暙I(xiàn)。由于加熱室在任意方向發(fā)射原子，因 此在塞曼減速儀的輸出處提供了較大數(shù)目的原子。具體地，通過象現(xiàn)有 技術(shù)的塞曼減速儀的通道的內(nèi)部表面，在與縱軸傾斜的方向上傳送的原 子沒有被停止。而是，能夠提供具有更大輸出直徑的射束，從而帶來更 高的通量。
優(yōu)選地，冷卻部分沿縱軸從輸入端延伸到輸出端，其中在輸出端處 橫截面的面積為輸入端處橫截面的面積的至少120%,從而允許總通量 的相當(dāng)大的增加。
在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部通道的橫截面具有圓形形狀，簡(jiǎn)化了線圏的 構(gòu)造。有利地，塞曼減速儀包括圍繞內(nèi)部通道的線圏，以在縱軸方向提 供內(nèi)部通道中的i茲場(chǎng)，其中》茲場(chǎng)沿縱軸單調(diào)減少，以及在垂直縱軸的平 面中在冷卻部分中基本上是勻質(zhì)的。這樣的磁場(chǎng)在由通道所定義的整個(gè) 體積上提供了恒定的狀況，從而增加了冷卻性能。
在一個(gè)實(shí)施例中，塞曼減速儀包括鄰近輸出端且被布置成用來產(chǎn)生 磁場(chǎng)的至少 一個(gè)抽取線圈，所述》茲場(chǎng)基本上不同于在輸出端附近在內(nèi)部 通道中由圍繞內(nèi)部通道的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。直接在減速儀的輸出之后 的抽取線圏的布置可突然結(jié)束冷卻狀況，使得冷卻僅僅發(fā)生在通道中且 在通道外側(cè)受到抑制。當(dāng)然，抽取線圈的磁場(chǎng)與布置在通道周圍的線圏 的磁場(chǎng)相組合，使得在設(shè)計(jì)塞曼減速儀時(shí)必須考慮這兩者的磁場(chǎng)。抽取線圈也被稱為反相線圈。優(yōu)選地，由抽出線圏所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與圍繞該通 道的線圈的磁場(chǎng)相反。
為了進(jìn)一步改善冷卻性能，提供了適于斜向縱軸將射到該偏轉(zhuǎn)器上 的至少部分光偏轉(zhuǎn)到內(nèi)部通道中的偏轉(zhuǎn)器。由于光線的傾斜角度在不同 于縱軸的方向提供了減速，即冷卻，這導(dǎo)致了附加的橫向冷卻。這允許 了在線圏中的組合的橫向和縱向冷卻。橫向冷卻準(zhǔn)直射束，這改善了通 量和射束密度。還有，較少的原子到達(dá)限定通道的壁，而較高比例的輸 入原子到達(dá)通道的輸出端。優(yōu)選實(shí)施例包括在內(nèi)部通道的至少部分中的 反射表面，該反射表面被布置成用來接收來自偏轉(zhuǎn)器的光且傾向縱軸將 光反射到內(nèi)部通道中。使用這個(gè)實(shí)施例，對(duì)通道的輸出端進(jìn)行照亮具有
兩個(gè)效果(A)光直接碰撞原子束，從而導(dǎo)致縱向減速，和(B)光線 射到反射表面上并且在基本傾斜的方向被反射到原子束上，從而導(dǎo)致具 有相當(dāng)大的橫向分量的減速。因此，在通過改變的傾斜角射到輸出端上 的同時(shí)， 一個(gè)光束能夠同時(shí)實(shí)施縱向和橫向冷卻。
有利地，偏轉(zhuǎn)器適于將光偏轉(zhuǎn)到輸出端(220)上，在輸出端(230) 的橫截面上產(chǎn)生光能量分布。該光能量分布對(duì)縱軸(L)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的， 并且是
(A1U)在沒有對(duì)縱軸(L)的偏移的情況下，負(fù)指數(shù)取決于至縱軸 (L)的距離，或者
(Alt.2 )在有對(duì)縱軸(L )的偏移的情況下，負(fù)指數(shù)取決于至縱軸(L ) 的距離，或者
(Alt3)在整個(gè)輸出端(230)的橫截面，基本上是恒定的。 在Alt.l中，最高強(qiáng)度位于中心且向通道的圓周指數(shù)減少。大量光 強(qiáng)度被用于縱向冷卻，而僅僅小部分被反射和以傾斜角刺射。在Alt2 中，相當(dāng)大的部分的光才丸行直接縱向冷卻。然而，相當(dāng)大的部分還凈皮反 射并以傾斜的角度發(fā)射到原子束上，從而導(dǎo)致相當(dāng)大的橫向冷卻分量。 負(fù)指數(shù)分布的最大值的位置還定義了沿縱軸出現(xiàn)最大橫向減速的位置。 這種效應(yīng)能夠被用于將橫向冷卻集中在某一區(qū)域。Alt.l及Alt.2這兩者 形成高斯分布，并且能夠由相對(duì)應(yīng)的掃描器件容易地實(shí)現(xiàn)。Alt.3提供勻 質(zhì)的光強(qiáng)度，因此，沿通道的整個(gè)長(zhǎng)度的橫向減速的勻質(zhì)分布。當(dāng)然， 能夠組合具有不同的分布的若干光源。再者， 一種光源能夠提供上述分 布的組合。根據(jù)本發(fā)明，塞曼減速儀的一個(gè)實(shí)施例包括把激光束發(fā)射到偏轉(zhuǎn)器 上的激光器件，該偏轉(zhuǎn)器被布置成用來調(diào)制所述至少一個(gè)線圏的縱軸和 激光束之間的角度。這可以被用作光源或掃描設(shè)備，以產(chǎn)生上述光強(qiáng)度 分布。優(yōu)選地，偏轉(zhuǎn)器適于將光線引到輸出端的橫截面上，以通過覆蓋 輸出端的至少部分區(qū)域的光能的分布照亮輸出端。
進(jìn)一步地，上述的目的由具有內(nèi)表面的線圈來解決，所述內(nèi)表面適 于限定依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速儀的內(nèi)部通道，該內(nèi)表面包括適于把光反 射到內(nèi)部通道中的至少一個(gè)反射區(qū)。由塞曼減速儀定義的延伸的通道和 線圏的反射內(nèi)表面的組合允許原子的高通量以及組合的橫向和縱向減 速這兩者。若集成在塞曼減速儀中且連接到加熱室，那么這種線圈提高 了性能。
此外，上述目的通過用于冷卻原子束的方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括步
驟提供磁場(chǎng)；把原子束發(fā)射到磁場(chǎng)中；將至少部分光束引到原子束上， 該方法特征在于發(fā)射原子束的步驟包括沿縱軸發(fā)射原子束，該原子束 具有在垂直于縱軸的方向上基本上沿縱軸擴(kuò)展的橫截面。如上所述，原 子束的擴(kuò)展導(dǎo)致較大的體積，在該較大的體積中能夠執(zhí)行減速，并導(dǎo)致 被冷卻的原子的較高產(chǎn)出率。優(yōu)選地，該方法包括提供具有橫截面的內(nèi) 部通道，所述橫截面沿縱軸單調(diào)增加，內(nèi)部通道適于調(diào)節(jié)原子束。有利 地，原子束和/或內(nèi)部通道的橫截面的面積沿縱軸整個(gè)地;故擴(kuò)展至少大約 20%。通過這種擴(kuò)展，更多原子能夠被包含在冷卻體積中。該方法的優(yōu) 選實(shí)施例包括提供磁場(chǎng)的步驟，其包括提供平行于縱軸的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng) 具有沿縱軸減少的磁場(chǎng)強(qiáng)度，該磁場(chǎng)在垂直于縱軸的平面中基本上是勻 質(zhì)的，該方法還包括步驟通過在傾斜于原子束的傳播方向的方向上將 至少部分光束引到原子束上，在垂直于縱軸的方向提供對(duì)原子束的附加 的減速。這將橫向減速分量添加給縱向減速。通過在基本從縱軸移置的 位置處，斜向原子束將至少部分光束引到原子束上能夠取得相當(dāng)大的橫 向冷卻分量。
依據(jù)本發(fā)明，這種方法被用于涂敷材料。在該方法的有利實(shí)施例中， 該方法被用于制造有機(jī)光電器件，另外包括使用依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速 儀的實(shí)施例的步驟。
本發(fā)明的基礎(chǔ)概念是使用延伸的原子束和塞曼冷卻器，它能夠調(diào)節(jié) 該射束。由于原子束是由本質(zhì)上能在任意方向發(fā)射原子的加熱室來產(chǎn)生的，所以可允許的角度的相當(dāng)大的增加導(dǎo)致通量的強(qiáng)烈增加。本發(fā)明的 另 一方面將使用增加的角度把傾斜的激光束發(fā)射到冷卻通道中，這提供 了橫向減速分量。如果該射束在進(jìn)入冷卻通道之后在其移動(dòng)通過通道期 間在橫向上被減速，則該射束的擴(kuò)展能夠被顯著減少。因此，使用了兩 組激光束， 一組平行于縱軸， 一組傾斜于縱軸?？梢允褂闷D(zhuǎn)器將入射 的激光束分裂和偏轉(zhuǎn)為平行激光束和傾斜的激光束，傾斜的激光束被掃 描，以通過激光束圖形覆蓋通道的輸出，傾斜的激光束部分射在反射表 面上，所述反射表面在傾斜的方向?qū)⒃摷す馐朐撏ǖ乐小Ｔ摷す馐?br> 相對(duì)原子束是反向傳播的(counter-propagating)。
當(dāng)被用來產(chǎn)生用于涂敷過程的冷卻的原子時(shí)，涂敷時(shí)間能夠被減少 到常規(guī)塞曼減速儀所需要的時(shí)間的小的百分?jǐn)?shù)。因此，本發(fā)明尤其致力 于產(chǎn)生用于涂敷敏感材料表面的、高生產(chǎn)量的冷卻的原子，所述敏感材 料尤其是例如用于制造有機(jī)光電器件和提供具有電觸點(diǎn)的有機(jī)LED的 有機(jī)材料。


圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)塞曼減速儀的示意圖，其圖示了單繞組的各個(gè) 圏的分布。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)塞曼減速儀的線圈的橫截面。
圖3是依據(jù)本發(fā)明的線圏的優(yōu)選實(shí)施例的橫截面。
圖4a顯示了在線圈的輸出端附近圖2的線圈和用于圖3的線圈的
磁場(chǎng)的橫向勻質(zhì)性。圖4b顯示了在線圈的輸出端附近圖2的線圈和圖3的線圏的》茲場(chǎng)
的橫向勻質(zhì)性。
圖5是依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速儀的實(shí)施例的橫截面。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速儀的實(shí)施例的橫截面，示出了原子束
以及用于一黃向和縱向減速的激光束。
圖7是塞曼減速儀的實(shí)施例的橫截面，示出了通道的指數(shù)擴(kuò)張。
具體實(shí)施例方式
對(duì)于通過塞曼減速儀的有效冷卻而言，線圏適于提供磁場(chǎng)分布，具有能量和波長(zhǎng)的激光在內(nèi)部通道的部分或全部的橫截面上提供了原子 束的塞曼失調(diào)和多普勒失調(diào)。在冷卻期間，即依據(jù)塞曼效應(yīng)的減速，原 子吸收來自激光束的光子。在一定時(shí)間ti。^后，原子發(fā)射光子，但是現(xiàn)
在在4冗環(huán)境(environment)中的任意方向上。因?yàn)槲展庾拥姆较蚴浅?分限定的，但是發(fā)射的光子的方向是任意的，所以凈改變(netchange) 導(dǎo)致原子脈沖的改變，因此導(dǎo)致局部原子速度的改變。
激光提供了取決于原子類型的關(guān)于原子的"藍(lán)調(diào)諧(blue tuning)", 所述原子被冷卻。例如向較高頻率調(diào)諧的約300MHz為完美數(shù)值。在實(shí) 施例中，"藍(lán)調(diào)諧，，在1MHz和1GHz之間。
為了提供原子的減速，下面關(guān)系必須被滿足
其中A為原子諧振的局部失調(diào)；Vat。m-局部原子速度；XLaser-激光 波長(zhǎng)；iiiB-波爾磁子；h-普朗克(Planck)常數(shù)；B-局部磁場(chǎng)強(qiáng)度； △vLaser -激光失調(diào)，即以MHz為單元測(cè)量的激光頻率與原子諧振的偏差， 此時(shí)激光頻率為數(shù)百THz的量級(jí)。第一部分表示多普勒失調(diào)，剩余部分 表示塞曼失調(diào)。
飽和度S被給定為
其中S-飽和參數(shù)；I-局部光強(qiáng)度；Isat-取決于原子類型的飽和強(qiáng) 度；y-原子諧振的自然寬度，例如對(duì)于Ca,『34.58MHz,以及A為原 子諧振的局部失調(diào)。
4ti壞境中光子吸收和光子再發(fā)射的 一個(gè)完整循環(huán)所需的時(shí)間為
這里，i為特定原子躍遷(transition)周期，即:T = 1/2717
原子的輸入速度為ca. 400 - 1400m/s。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入速度 為約1000m/s。輸出目標(biāo)速度為大約lm/s-300m/s。優(yōu)選地，輸出目標(biāo)速 度為100m/s。輸出目標(biāo)速度取決于要被覆蓋的襯底上的所希望的溫度。 原子束的輸出強(qiáng)度為約10^原子/scm2。然而，1010-1014或更高也將是所 希望和使用的。
使用4丐，諧振中通過原子的光子/吸收發(fā)射周期為4.9ns。因此，激 光的波長(zhǎng)必須被調(diào)整且取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度。有機(jī)或無(wú)機(jī)材料活性層涂敷有 例如由具有ca.l-80nm厚度的鈣形成的層。在涂敷處理期間，要被覆 蓋的材料的溫度不應(yīng)當(dāng)大大超過RT (ca.300K),以避免任何損壞?，F(xiàn) 有技術(shù)中具有ca.l50m/s目標(biāo)速度的原子束具有溫度ca.300K，因?yàn)楝F(xiàn)有 技術(shù)中原子束具有108 - 10"原子/scn^的強(qiáng)度及速度l-10m/s,以及若被 使用將導(dǎo)致30 - 50h的涂敷處理的弛豫時(shí)間(duration)以及非理想的過
的。 "。' 、、'、 -、'、'、
本發(fā)明允許原子束具有直至1012-1014原子/sec的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致弛 豫時(shí)間減少3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。典型地，加熱室發(fā)射具有速度約1000m/s 的原子。
原子束優(yōu)選由Ca、 Ag、 Cr、 Fe和Al原子形成。塞曼減速儀(在內(nèi) 部通道中)中的壓力優(yōu)選在10"-10-Spa的范圍內(nèi)。
線圈的一個(gè)實(shí)施例具有在200mm和500mm之間的長(zhǎng)度，優(yōu)選約 350mm。輸入直徑在20-250mm之間，優(yōu)選在40mm和120mm之間， 有利地為80mm。輸出直徑位于25mm和400mm之間，優(yōu)選在40mm 和80mm之間，有利》也為約50mm。
供給線圏的電流在3A和30A之間，優(yōu)選地在8和15A之間。在一 個(gè)特定實(shí)施例中，電流近似11.5A。供給線圈的功率在1和30kW之間，優(yōu) 選5-20kW。在一個(gè)實(shí)施例中，供給線圏的功率為14kW。具體講，線圏 被供給有若干kW的功率。然而，應(yīng)當(dāng)施加冷卻，以保持圍繞內(nèi)部通道 的部件或壁的溫度低于ll(TC。優(yōu)選地，線圏包括抽取線圏(extraction coil),所述抽取線圈鄰近所述輸出端，并布置在縱軸周圍且定位在冷 卻部分外側(cè)，用于在輸出端和輸出端附近保持高橫向勻質(zhì)性(homogeneity)。抽取線圏優(yōu)選布置在線圏的輸出端，且包括至少兩個(gè) 線圈， 一個(gè)線圈提供沿縱軸與原子束反平行的磁通分量，另一線圏提供 沿縱軸與原子束平行的磁通分量。在圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中，線圈基 本上是同樣的(除了所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量的方向之外)，同時(shí)產(chǎn)生反平行 場(chǎng)分量的線圈被布置在線圈的冷卻部分和產(chǎn)生平行場(chǎng)分量的線圏之間。
依據(jù)本發(fā)明，線圈產(chǎn)生平行且具有沿縱軸減小的磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)， 該磁場(chǎng)在垂直于線圏縱軸的平面中基本上是勻質(zhì)的。在沿縱軸的方向 上，原子束被引入磁場(chǎng)。至少部分激光束被直接引到該原子束上，并且 在傾斜于縱軸的方向上相同的激光束中的至少 一部分或另 一激光束被 引到磁場(chǎng)中的所述原子束上。
在優(yōu)選實(shí)施例中，線圈具有適于在縱軸方向中提供磁場(chǎng)的至少 一個(gè) 繞組，該至少一個(gè)繞組被布置成使得磁場(chǎng)在整個(gè)線圈中在垂直于縱軸的 平面中在線圈內(nèi)部基本上是勻質(zhì)的且朝著輸出端減小了 。這種場(chǎng)分布為 沿縱軸減少的原子速度提供了有效的縱向和橫向冷卻。附加地或可替代 地，線圈包括冷卻部分中的至少一個(gè)繞組和輸入部分中的至少另一個(gè)繞 組，從而允許對(duì)磁場(chǎng)的精確調(diào)整。線圏能夠包括多個(gè)繞組，所述多個(gè)繞 組互相連接或由多個(gè)電流源供給。線圈的繞組能夠被分成若干部分，或 者能夠具有允許一個(gè)或多個(gè)電流源連接的抽頭(t叩)。當(dāng)被分成多個(gè)部 分時(shí)，通過調(diào)整流過多個(gè)部分的每個(gè)單個(gè)電流，能夠調(diào)整所產(chǎn)生的磁通。 這樣，能夠?qū)⒋艌?chǎng)的勻質(zhì)性和縱向分布調(diào)整到所希望的特性。此外，通 過調(diào)整一個(gè)電流或多個(gè)電流或者指定的一個(gè)電源或多個(gè)電源，能夠?qū)Σ?勻質(zhì)性進(jìn)行補(bǔ)償。能夠使用兩個(gè)激光器， 一個(gè)用于縱向冷卻， 一個(gè)用于 另外的橫向冷卻分量。橫向冷卻分量取決于傾斜的激光束和原子束之間 的傾斜角。
可替換地，能夠使用一個(gè)激光束，其被分為兩個(gè)射束，例如通過偏 轉(zhuǎn)器或另外的射束分裂器。如上所述，該射束被分別用于縱向冷卻和另 外的橫向冷卻。
關(guān)于原子束，發(fā)射的激光束的至少一部分反向傳播，從而導(dǎo)致縱向減少。
在一個(gè)實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)裝置同軸于縱軸地偏轉(zhuǎn)至少部分激光束和把 至少部分激光束偏轉(zhuǎn)在偏轉(zhuǎn)器或反射器上。優(yōu)選地，偏轉(zhuǎn)裝置在兩個(gè)不 同的方向上偏轉(zhuǎn)，或者在另一實(shí)施例中，在與縱軸垂直的第一方向和第二方向上偏轉(zhuǎn)。有利地，兩個(gè)不同方向相互垂直，或者第一方向垂直第
二方向，從而導(dǎo)致笛卡爾定向。該偏轉(zhuǎn)裝置能夠包括2D聲光 (2D-acousto-叩tical)調(diào)制器，用于在均斜向縱軸的兩個(gè)不同的方向上偏 轉(zhuǎn)至少部分激光束。在另一實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)裝置包括用于在第一方向偏 轉(zhuǎn)至少部分激光束的第一 1D聲光調(diào)制器，以及用于在不同于第一方向 的第二方向偏轉(zhuǎn)至少部分激光束的第二 1D聲光調(diào)制器，第一和第二方 向傾斜于線圏或通道的縱軸。
依據(jù)本發(fā)明，激光器和偏轉(zhuǎn)裝置被提供用來產(chǎn)生某光強(qiáng)度或光能量 分布，其被投射在通道的輸出端上。可替換地，光能量分布能夠是高斯 或更高階高斯分布，從而在中心處具有一個(gè)最大值，即在縱軸上，或者 能夠具有距中心的最大移置(displaced)或偏移，類似于環(huán)形射束的橫 截面(不同階的拉各朗日-高斯才莫型)。優(yōu)選地，能量分布是均勻的。 然而，非均勻的分布能夠具有較少?gòu)?fù)雜激光器/偏轉(zhuǎn)器組合。照亮輸出端 的的光能量的分布優(yōu)選覆蓋輸出端的全部區(qū)域?？商鎿Q地，中心區(qū)域的 相當(dāng)大部分被覆蓋，優(yōu)選為圍繞縱軸的區(qū)域的40%、 70%或80%。在 一個(gè)實(shí)施例中，光能量被集中在同心地環(huán)繞該中心的環(huán)上，這是從中心 移置的高斯分布的情況，該中心位于縱軸上。
在一個(gè)實(shí)施例中，塞曼減速儀器件的偏轉(zhuǎn)裝置包括2D聲光調(diào)制器，
或者可替換地,5包括;于在第一方向偏轉(zhuǎn)至少部分激光束4第一 1D聲 光調(diào)制器和用于在不同于第一方向的第二方向偏轉(zhuǎn)至少部分激光束的 第二1D聲光調(diào)制器，第一和第二方向傾向縱軸。聲光調(diào)制器通過電信 號(hào)提供對(duì)偏轉(zhuǎn)方向的簡(jiǎn)單且快速的控制。
在這個(gè)實(shí)施例中，該兩個(gè)不同的方向或第一方向和第二方向優(yōu)選垂 直于縱軸?？商鎿Q地，兩個(gè)不同的方向互相垂直，或者第一方向垂直于 第二方向。這種幾何結(jié)構(gòu)形成笛卡爾坐標(biāo)系(cartesian system),其允 許對(duì)由偏轉(zhuǎn)裝置提供的偏轉(zhuǎn)方向的簡(jiǎn)化控制。
對(duì)于控制偏轉(zhuǎn)裝置而言，能夠使用適合于被連接到該偏轉(zhuǎn)裝置的控 制器件，該控制器件至少提供第一信號(hào)和第二信號(hào)，均具有使得至少部 分激光束被分布在至少部分偏轉(zhuǎn)器上的振幅和頻率。
在 一 個(gè)實(shí)施例中，依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速儀器件進(jìn) 一 步包括控制偏 轉(zhuǎn)裝置的控制器件，該控制器件提供至少第一信號(hào)和第二信號(hào)，均具有使得至少部分激光束被分布在至少部分偏轉(zhuǎn)器上的振幅和頻率。電控制 使得精確偏轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn)，這能夠通過常規(guī)電子控制裝置來提供。
優(yōu)選地，第一信號(hào)是具有第一振幅和第一頻率的第一正弦波，第二 信號(hào)是具有第二振幅和第二頻率的第二正弦波，偏轉(zhuǎn)裝置在垂直于縱軸
的平面中提供利薩如圖形(Lissajous-figure)。因此，能夠控制振幅和 頻率，以提供至少部分激光束的不同的形式和分布。
在優(yōu)選實(shí)施例中，控制偏轉(zhuǎn)裝置的第一信號(hào)是具有第一振幅和第一 頻率的第一正弦波，控制偏轉(zhuǎn)裝置的第二信號(hào)是具有第二振幅和第二頻 率的第二正弦波。這樣，偏轉(zhuǎn)裝置在垂直于縱軸的平面中提供利薩如圖 形。優(yōu)選地，第一振幅等于第二振幅，從而導(dǎo)致圓形對(duì)稱光分布。
有利地，至少部分激光束在第一和笫二方向上^L偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)方向均 垂直于縱軸并且在將至少部分激光束引向原子束之前將該激光束引向
該原子束。偏轉(zhuǎn)的步驟可以包括為笫一和第二方向提供在各自的第一 和第二方向中控制偏轉(zhuǎn)度以將至少部分激光束能量擴(kuò)散在垂直于縱軸
的至少部分平面上的各自的第一和第二控制信號(hào)。
激光的波長(zhǎng)強(qiáng)烈地取決于冷卻的原子類型。例如，Ca的波長(zhǎng)為423 nm。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員能夠選擇用于各個(gè)原子類型的適合的波長(zhǎng)。激 光器功率優(yōu)選約50mW。然而，激光器功率可以在5 mW至50 mW范 圍內(nèi)變化。優(yōu)選地，激光器功率位于10mW和200 mW之間。有利地， 激光線寬大約5-20MHz,優(yōu)選為lOMHz。然而，可以使用在O.lMHz-50 MHz之間的任何值。
如上所提及的，在其中發(fā)生原子減速的塞曼減速儀的內(nèi)部通道，即 線圈的內(nèi)部通道向其輸出端延伸。內(nèi)部通道的橫截面積單調(diào)增加。在一 個(gè)實(shí)施例中，該增加為恒定的，從而導(dǎo)致內(nèi)部通道具有乂人輸入端至輸出 端延伸的錐形形狀。優(yōu)選地，橫截部分為圓柱形。在一個(gè)實(shí)施例中，減 速儀的內(nèi)徑為a=ra6， r為到內(nèi)部通道的輸入端的距離。當(dāng)然，這種形 狀能夠僅僅應(yīng)用于部分通道，即冷卻部分。也能夠使用不同于0.6 (更 小或更大)的功率系數(shù)。
考慮到原子的自旋(spin)，塞曼冷卻的工作原理特征如下磁場(chǎng) 把原子的自旋分裂為能級(jí)(level),這還被稱為塞曼效應(yīng)。在輸入端的
高速度。原子的激發(fā):級(jí)通過塞曼效應(yīng)被分裂和偏移，因此，、如果通過塞曼效應(yīng)被偏移的激發(fā)能級(jí)與多普勒頻移處于平衡狀態(tài)，則激光器的脈 沖由原子吸收。當(dāng)原子從它們的激發(fā)的能級(jí)回落時(shí)，相當(dāng)于該能級(jí)差的 能量被發(fā)射。激光脈沖的吸收增加了向方向B的脈沖(參考圖l)，而 再發(fā)射的能量導(dǎo)致具有隨機(jī)方向的脈沖。為了多次采樣(hit)，該原子 的速度或原子在方向A (參考圖1)上被減小，這被稱為縱向減速或冷
卻。由于在通道的輸出端處的原子基本上比在輸入端處的原子慢，考慮 到減少的多普勒頻移，在輸出端處的適合的磁場(chǎng)低于用于輸入端處較高
速度的原子的磁場(chǎng)?，F(xiàn)有技術(shù)中，另外的能級(jí)(stage)被提供用來減小 橫向速度，該能級(jí)(stage)被布置在塞曼減速儀的輸出端之后，即原子 束的下游。
圖1示出了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的塞曼減速儀的原理。要被冷卻的原子由 加熱室10產(chǎn)生并且被發(fā)射到線圈20的輸入端22中。該線圏包括纏繞 在內(nèi)部通道26周圍的繞組24,原子通過內(nèi)部通道26從輸入端22發(fā)射 給線圏的輸出端28。內(nèi)部通道26為圓柱形，該圓柱形由線圈20的圓形 輸入端、輸出端和圓柱形內(nèi)壁所限定。在一個(gè)方向A上，加熱室10發(fā) 射原子束進(jìn)入線圏且沿著線圏的縱軸L朝向輸出端28。在輸出端28處， 在反平行于方向A的方向上，激光器件30發(fā)射激光束沿著朝向和反平 行于穿過線圏的原子束的縱軸進(jìn)入輸出端。
在圖2中，顯示了常規(guī)的塞曼減速儀線圏100的橫截面。單位長(zhǎng)度 的繞組數(shù)目("繞組密度")從線圈輸入側(cè)IIO到輸出側(cè)112減少。鄰 近線圏112的輸出端，布置有抽取線圈120。抽取線圏還被表示為反相 線圏。抽取線圈120包括具有與線圏IOO相同繞組方向的一個(gè)模塊120a 和具有與模塊120a的方向相反的繞組方向的另一個(gè)反相模塊120b。由 線圏IOO形成的通道與線圏的中心軸共軸，并且具有在l餘入110和輸出 112之間延伸的圓柱體形狀。
在圖3中，圖示了依據(jù)本發(fā)明的線圏的一個(gè)實(shí)施例的橫截面。線圏 200具有輸入端210以及輸出端220。
圖3顯示了依據(jù)本發(fā)明的線圈200的實(shí)施例的縱向橫截面。線圏具 有通過內(nèi)部通道230連接的輸入端210和輸出端220。在線圏的冷卻部 分212中，內(nèi)部通道230向錐體形狀的輸出端220線性伸展。在線圏的 輸入部分214中，內(nèi)部通道具有恒定的圓形橫截面，因此形成了從輸入 端210到冷卻部分212的開始處延伸的圓柱體。優(yōu)選地，在輸入部分214的結(jié)尾處，內(nèi)部通道230的^f黃截面等于冷卻部分212起始處的內(nèi)部通道 230的一黃截面。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻部分中環(huán)繞內(nèi)部通道230的表面 250為反射性的并且提供了偏轉(zhuǎn)器。射在反射表面250上的激光束被反 射向縱軸L。在另一實(shí)施例中，反射表面沒有被設(shè)置在內(nèi)部通道230的 外表面處，而是以另一個(gè)形狀，例如比內(nèi)部通道的錐度或多或少變錐的 錐體的形式。還有，反射表面能夠與縱軸共軸地被布置在距內(nèi)部通道220 的外表面某距離處。另外，作為本發(fā)明的實(shí)施例的示例，至少部分反射 表面能夠被定位在內(nèi)部通道230的外側(cè)。反射表面能夠以 一片的形式被 設(shè)置，或者由多個(gè)反射器形成。此外，內(nèi)部通道的僅僅部分外表面能夠 被配置有反射器。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯而易見的是只要滿足 本發(fā)明的原理，就可提供偏轉(zhuǎn)器的各種改變，依據(jù)本發(fā)明的原理偏轉(zhuǎn)器 以使得被引向線圈的輸出端上的至少部分激光光能量被反射在原子束 上的方式被提供，該原子束斜向于縱軸從輸入端通過線圏至輸出端。
為了為在縱軸外側(cè)行進(jìn)的原子提供減速，由線圏提供的磁場(chǎng)在整個(gè) 橫截面中必須極其勻質(zhì)的，尤其在或靠近輸出端處，原因在于原子束的 橫截面也向輸出端延伸。為了在線圈的輸出端附近提供磁場(chǎng)，包括在整 個(gè)橫向橫截面上幾乎勻質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，形成線圈的繞組或多個(gè)繞組優(yōu)選 如圖3中所示的那樣被定位。在圖3中，相應(yīng)的每對(duì)點(diǎn)((x,y)和(x,-y))對(duì) 應(yīng)于圍繞內(nèi)部通道的繞組的一個(gè)環(huán)路(lo叩)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，圖3中所示 的各個(gè)環(huán)路的分布導(dǎo)致輸出端處或附近的高度勻質(zhì)的磁場(chǎng)。在輸入部分 214中，各個(gè)環(huán)路被定位在圓柱形的內(nèi)通道230和外邊界(bound)之間。 首先，隨著增加距輸入端210的距離，繞組的外徑成指數(shù)減少，形成了 肩部242。該肩部結(jié)束在凹口 243處，外徑從凹口 243處再以負(fù)指數(shù)方 式增加，形成了第二肩部244。第一肩部和該凹口均:帔定位在輸入部分 214，由此形成第二肩部244的每單位長(zhǎng)度的繞組增加被定位在冷卻部 分。形成第二肩部的增加以負(fù)指數(shù)級(jí)數(shù)(negative-exponential progression)的形式逼近漸近線244a。在輸出端220處，外徑在小峰246 之后向輸出端220線性減少248。同時(shí)，由于內(nèi)部通道230的增加的直 徑，繞組的最小內(nèi)徑由于冷卻部分中內(nèi)部通道的錐狀形式而線性減少。 ,皮描繪為點(diǎn)的每個(gè)環(huán)路對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)分布中的 一個(gè)分量(component), 它中的每一個(gè)都能夠由畢奧-薩伐爾定律(Biotand Savart，s law)來概 述。因此，上面給出的描述僅僅反映了導(dǎo)致輸出端處勻質(zhì)場(chǎng)的主要特征。然而，在圖3中所示出且上述沒有明確描述的特征也對(duì)磁場(chǎng)的勻質(zhì)性產(chǎn)
生影響。因此，能夠從圖3中提取的每個(gè)特征都對(duì)磁場(chǎng)的勻質(zhì)性有貢獻(xiàn)。 特別是，各個(gè)維(dimension)、維之間的關(guān)系以及距內(nèi)部通道的距離和 縱軸的距離都對(duì)磁場(chǎng)的勻質(zhì)性作出了貢獻(xiàn)。此外，附加的抽取線圏260a、 260b有助于在輸出端處在內(nèi)部通道中的通量分布。因此，同樣地，關(guān)于 維的特征以及距縱軸的距離必須凈皮考慮。繞組260a以與繞組260b和240 相反的方向被纏繞。當(dāng)然，能夠?qū)⒗@組設(shè)置在串聯(lián)或并聯(lián)連接的繞組部 分。另外，圖3顯示相等線尺寸的繞組的分布。如果線尺寸被改變，則 能夠改變線圈的形式。另外，圖3中的一個(gè)點(diǎn)能夠?yàn)橐粋€(gè)環(huán)路或者能夠 指示一定數(shù)量的環(huán)路。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是實(shí)施 對(duì)各個(gè)環(huán)路的分布的任何修改，這不會(huì)根本改變所得到的磁場(chǎng)分布，該 分布是以環(huán)路的位置和電流為特征。在圖3中，每個(gè)單點(diǎn)的位置表示環(huán) 路集中的 一個(gè)元素或環(huán)路，這由產(chǎn)生總磁場(chǎng)分布的畢奧薩伐爾定律所概 述。這對(duì)于圖2、 5、 6和7而言也是正確的。另外，圖4b中的每個(gè)點(diǎn) 表示流過各自的環(huán)路的某電流單位。
圖3中所示的實(shí)施例能夠具有下面所述的一個(gè)特征、特征的組合或 所有特征，反映了圖3中的線圏的尺寸(dimension)和幾何形狀在圖3 中所述的實(shí)施例中，線圏包括繞組，其祐:設(shè)置在內(nèi)線和外線之間的線圈 的縱向部分中；內(nèi)部通道，具有基本上均勻的輸入半徑R,該半徑R在 整個(gè)輸入部分的輸入端處等于內(nèi)線和縱軸之間的距離，其中輸入部分從 輸入端延伸到等于3 x R的x位置；冷卻部分從3 x R的x位置延伸到 17xR的x位置；冷卻部分中的內(nèi)線為從在R的y位置處的3 xR的x 位置延伸到在4 x R的y位置處的17 x R的x位置；外線起始于7.5 x R 的y位置處的輸入端，并成指數(shù)下降到2.8 xR的x位置和2.8xR的y
位置，從而形成了肩部；外線從2.8 xR的x位置和2.8xR的y位置逐 漸地到18.9 x R的x位置和5.3 x R的y位置基本上呈負(fù)指數(shù)增加，經(jīng)過 3.3 xR的x位置處的4xR的y位置；外線從18.9xR的x位置和5.3 x R的y位置到19.2 x R的x位置和5.8 x R的y位置增長(zhǎng)；和/或外線從 19.2 xR的x位置和5.8 xR的y位置到20 x R的x位置和4.1 xR的y 位置處的輸入端減小，在輸出端它等于線圏的輸出半徑。在上面中，X
位置指示沿縱軸的位置，y位置指示垂直于縱軸的位置。X位置的原點(diǎn) 為輸入端，以及y位置的原點(diǎn)為縱軸。優(yōu)選地，上面給出的所有特征都得以實(shí)現(xiàn)。然而，與這些幾何形狀相關(guān)的特征中的一些或子組合也能夠 得以實(shí)現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明的線圈還包括在其中沒有確切值的實(shí)施例，但是
實(shí)現(xiàn)了具有+-1%、 +-10 %或+-20 %的相應(yīng)容差的數(shù)值。優(yōu)選地，實(shí)現(xiàn) 了具有5%準(zhǔn)確度的幾何特征。另外地，圖3中所示的特征中的一些或 組合在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中被實(shí)現(xiàn)，它們?cè)谏厦鏇]有以數(shù)值來陳述， 而是能夠根據(jù)圖3來測(cè)量和導(dǎo)出。作為示例，部分243中的短峰或輕微 凹口 243'、 243〃是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的特征。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言，根據(jù)圖3，幾何特性是明顯的。
圖4a指由圖2及圖3的線圏所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并且示出了縱軸上的 磁場(chǎng)強(qiáng)度(軸上磁場(chǎng))與在距縱軸的某距離處的場(chǎng)強(qiáng)(軸外磁場(chǎng))的比 值，它在縱坐標(biāo)上被賦值，作為距縱軸的距離的函數(shù)，所述距離對(duì)橫坐 標(biāo)被賦值。圖4a中的值顯示了用于圖2中現(xiàn)有技術(shù)線圏(被指示為方 塊)和圖3中線圏的(被指示為菱形)的線圏的輸入端處或附近的比值。 因此，圖4a給出了輸入端處勻質(zhì)性的指示。能夠看出，依據(jù)本發(fā)明的 線圏的勻質(zhì)性高于現(xiàn)有技術(shù)線圏的勻質(zhì)性，尤其在距縱軸相當(dāng)大距離L 中。兩個(gè)線圏的場(chǎng)隨著離縱軸的距離增加而增加。因此，在軸外位置 處，塞曼失調(diào)沒有正好補(bǔ)償多普勒失調(diào)。然而，在輸入端處，原子束比 輸出端處準(zhǔn)直得多，因此，橫向冷卻效應(yīng)，即射束的準(zhǔn)直，在冷卻效應(yīng) 方面沒有起到重要作用。另外，在輸入端處或附近，原子束被集中在縱 軸周圍。與其不同，非常重要的是，當(dāng)射束穿過通道時(shí)準(zhǔn)直該射束，尤
其是接近輸出端時(shí)，以產(chǎn)生高原子通量。因此，在輸出端處或附近，在 整個(gè)橫向橫截面中磁場(chǎng)勻質(zhì)性對(duì)于高原子通量而言是必不可少的。
與圖4a類似，圖4b顯示了縱軸上磁場(chǎng)強(qiáng)度與距縱軸一距離處的強(qiáng) 度的比值，它在縱坐標(biāo)上被賦值，作為距縱軸的距離的函數(shù)，所述距離 對(duì)橫坐標(biāo)被賦值。圖4a中的值顯示了用于圖2的現(xiàn)有技術(shù)線圏(被指 示為方塊)和圖3的線圏(被指示為菱形)的線圈的輸入端處的比例。 與圖4a相對(duì)照，它涉及輸入端處的磁場(chǎng)，圖4b涉及輸出端處或附近的 磁場(chǎng)。由于優(yōu)化的繞組或電流環(huán)分布，依據(jù)本發(fā)明的線圈的磁場(chǎng)幾乎不 依賴于到縱軸的距離。因此，依據(jù)本發(fā)明的線圏在輸出端處在整個(gè)完全 橫截面提供了基本上相同的場(chǎng)強(qiáng)度。在輸出端處或附近，縱向磁場(chǎng)的橫 向最大非勻質(zhì)性對(duì)于依據(jù)本發(fā)明的圖3中所示的線圈而言是約0.2%。相 反地，圖2中所圖示的現(xiàn)有技術(shù)線圈顯示了直至2.5%的差異。因此，圖3的線圏對(duì)分布在輸出端處或附近的通道的整個(gè)橫向橫截面上的原子的 冷卻效果基本上是較高的，這是由于用于內(nèi)部通道的任何位置的塞曼失
調(diào)和多普勒失調(diào)的確切的相互補(bǔ)償。圖2、 3是按比例的表示，任何相
對(duì)和絕對(duì)尺寸與本發(fā)明有關(guān)。
圖5圖示了依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速儀器件的實(shí)施例。塞曼減速儀 300包括依據(jù)本發(fā)明的線圈310以及偏轉(zhuǎn)器件320。在線圏310的內(nèi)部 通道330 (且部分在線圈外側(cè))中，反射表面312被設(shè)置接近于線圈的 內(nèi)表面。反射表面覆蓋線圈的全部?jī)?nèi)表面，以及在線圏的冷卻部分302 中，向偏轉(zhuǎn)器件320擴(kuò)展。塞曼減速儀器件300包括輸入端314和輸出 端316。偏轉(zhuǎn)器件320將激光束偏轉(zhuǎn)到輸出端中，其中加熱室(未顯示) 發(fā)射原子，例如，多個(gè)原子或其他原子，進(jìn)入輸入端314。反射器在冷 卻部分302中向偏轉(zhuǎn)器件320和輸出端316擴(kuò)展。輸入部分304包含輸 入端314,以及輸入部分中的反射表面312具有管狀形狀，該管狀形狀 具有與輸出端處的直徑相比較小的直徑。在第三部分306中，反射器朝 向偏轉(zhuǎn)器件320稍微變窄。在該第三部分306中，布置抽取線圏311。 優(yōu)選地，線圈310、抽取線圈311和偏轉(zhuǎn)器件320沿著一個(gè)7>共縱軸L 對(duì)齊。優(yōu)選地，偏轉(zhuǎn)器件距縱軸僅僅具有小的位移。圖5另外顯示了一 些示例性的激光束，其第一部分340射向反射表面312上且向縱軸L反 射。激光束的第二部分342射在輸入端314上。激光束340、 342 #皮反 向傳播給原子束(未顯示)，該原子束由加熱室(未顯示)發(fā)射進(jìn)入輸 入端314。
圖5的反射表面312被顯示為跟隨有錐體的輸入部分中的短薄管， 所述錐體向冷卻部分中的輸出端擴(kuò)展為輸入直徑的倍數(shù)。然而，幾何形 狀和尺寸的比值能夠適于應(yīng)用和由線圏產(chǎn)生的場(chǎng)。此外，反射表面還能 夠具有拋物線的反射器的形狀或改變射到原子束上的反射的激光束的 縱向分布的另一個(gè)形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，反射表面具有在輸入端附近 的位置處集中反射的激光束的形狀。另外，橫向冷卻分量(component) 的大小(magnitude)直接與反射的激光束對(duì)原子束的傾斜有關(guān)。對(duì)于錐 形反射面而言，被反射靠近輸入端的激光以微小的傾斜角射在原子束 上，從而產(chǎn)生微小的橫向減速分量。因此，反射器能夠具有補(bǔ)償這種效 應(yīng)的形狀，以提供在輸入端附近對(duì)激光束的較高集中。可替換地或附加 地，通過提供反射表面，能夠增加在輸入端附近射到原子束上的射束的橫向減速分量，以下述形式提供所述反射表面例如，通過拋物線的形 狀或者將拋物線的分量加到反射器的圓錐形狀，使得射在輸入端附近的
射束的傾斜角增加。在一個(gè)實(shí)施例中，使用具有o至i之間的指數(shù)-例 如0.6的指數(shù)級(jí)數(shù)。相對(duì)于輸入端，沿著縱軸，可以存在這種曲率的偏
移量。另外，可以使用垂直于縱軸的對(duì)縱軸的偏移量。還有，僅僅通道 中的 一部分可以具有這樣的曲率。取決于反射器的形狀和線圈內(nèi)壁或內(nèi) 表面的形狀之間的空間，具有非錐形形狀的這樣的反射器可以被裝配到 線圏中，所述線圏具有在反射器和線圈的內(nèi)表面之間保留有縱向改變距 離的錐形冷卻部分。
在優(yōu)選實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)器件320為聲光調(diào)制器(acousto-叩tical modulator, AOM) 。 AOM包括在其上附連了電極的晶體。取決于電極 所施加的電場(chǎng)，例如折射率和/或雙折射之類的光特性發(fā)生改變。典型地， 使用透明的壓電晶體。在晶體中，發(fā)生零級(jí)(order)和第一級(jí)衍射。在 零級(jí)衍射下，入射激光束沒有傾斜，而笫一級(jí)衍射導(dǎo)致傾斜。穿過該晶 體的激光束能量中的部分342以零級(jí)被衍射，即被引向沿著縱軸L。激 光束的另 一部分以第一級(jí)被衍射，即被偏轉(zhuǎn)傾斜于縱軸且射在反射表面 上。以零級(jí)衍射的激光能量被用于縱向減速或冷卻，而以第一級(jí)衍射的 激光能量被用于產(chǎn)生減速或冷卻的橫向分量。換言之，以第一級(jí)衍射的 激光能量被用于準(zhǔn)直或減少原子束向輸出端的擴(kuò)展。為了提供在兩個(gè)方 向Y和Z中的偏轉(zhuǎn)，激光束經(jīng)過形成2D-AOM的兩個(gè)互相垂直排列的 AOM。
經(jīng)由施加在各自電極上的電壓控制偏轉(zhuǎn)的控制單元提供第一偏轉(zhuǎn) 信號(hào)和第二偏轉(zhuǎn)信號(hào)，第一偏轉(zhuǎn)信號(hào)控制一個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)而第二偏轉(zhuǎn) 信號(hào)控制在另一方向上的偏轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，該方向連同縱軸形成 笛卡爾坐標(biāo)系。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)信號(hào)均為正弦波信號(hào)， 它們具有以Sl=Ai sin(a^t+ch)、 S2 = A2sin (co2t+4 2)形式的不同的頻率 和振幅。兩個(gè)信號(hào)Si和S2的位置，S^空制方向Y上的偏轉(zhuǎn)，所述方向 Y垂直于由S2控制的偏轉(zhuǎn)方向Z,第一級(jí)衍射的該部分激光束生成利薩 如曲線。在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制單元還提供用于控制激光束波長(zhǎng)的 信號(hào)，以支持減速效果。另外，控制單元能夠提供用于控制激光束強(qiáng)度 的附加的信號(hào)。此外，該控制單元能夠提供用于控制施加給線圏或繞組 的各個(gè)部分的電流的 一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在垂直于縱軸L的兩個(gè)方向上的笫一級(jí)
衍射在線圈的輸出端上(即在反射表面上)生成利薩如圖形。該圖形的 最大直徑取決于偏轉(zhuǎn)信號(hào)的振幅。另外，激光束射在原子束上的位置能
夠由偏轉(zhuǎn)信號(hào)的振幅來控制。在圖5中，射束組340的最上面射束具有 對(duì)縱軸L的高傾斜度，即對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)的高振幅。射束組340的底部 波束較少地傾斜于軸L，因此對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)的低振幅。根據(jù)兩個(gè)示例 性射束的光路，能夠?qū)С鲚^少傾斜于軸L的射束在靠近輸入端314的點(diǎn) 處與原子束相遇，而具有最高傾斜度的射束在靠近輸出端316處擊中原 子束。因此，通過改變控制信號(hào)的振幅，能夠調(diào)節(jié)所反射的激光束射在 原子束上的位置。另外，可能的是，考慮原子在這位置中的速度和速度 分布。通過定期地掃描或掃掠振幅和/或頻率，可能的是對(duì)用于沿塞曼 減速儀器件的全部長(zhǎng)度的橫向冷卻的點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，以執(zhí)行分布式瞬時(shí)橫 向冷卻。
附加地或可替換地，能夠以這樣的方式對(duì)偏轉(zhuǎn)信號(hào)的頻率進(jìn)行同 步，所述方式使得"光管(light tube)"圍繞原子且從輸入端至輸出端順 應(yīng)它們或者它們的至少部分路徑在內(nèi)部通道中。優(yōu)選地，信號(hào)的該同步 和頻率取決于原子的速度。在一個(gè)實(shí)施例中，圍繞原子的"光管"具有圓 柱對(duì)稱性，它還支撐減速和冷卻處理。優(yōu)選地，第二偏轉(zhuǎn)信號(hào)的頻率被 選擇成使得圍繞的"光管"提供了必需的藍(lán)失調(diào)，即包含對(duì)正極性多普勒 頻移的補(bǔ)償，以用于對(duì)帶有小橫向速度的原子減速。再者，其他圖形可 以由控制單元和偏轉(zhuǎn)器件來提供，例如，由用于產(chǎn)生圓線的信號(hào)所提供 的完整圓，由此對(duì)振幅進(jìn)行定期地掃掠。在至少部分反射表面上延伸的 任何圖形都可以被使用。線圈的形狀以及形圖和反射表面優(yōu)選是對(duì)稱 的。然而，可以使用其他形狀，例如，線圈和/或反射表面的橫截面的卵 形形狀。線圈能夠包括多個(gè)繞組部分，它是電連接的。另外，抽頭能夠 被引入到線圏的繞組中，從而提供了關(guān)于對(duì)施加到線圏的電流的電控制 的另外可能性。再者，可以使用一個(gè)以上的激光器，例如， 一個(gè)激光器 用于在Y方向減速和另 一個(gè)激光器用于在Z方向減速，每個(gè)激光器具有 一個(gè)專用聲光調(diào)制器。此外，可以使用另外的激光器來提供沿縱軸的激 光束，以用于縱軸減速。取代聲光調(diào)制器，可以使用其他的偏轉(zhuǎn)器件， 例如旋轉(zhuǎn)平面鏡或者能夠被電控制的其他器件。另外，能夠使用一個(gè)以 上線圏，形成串聯(lián)級(jí)(stage),每個(gè)級(jí)具有專用的原子速度區(qū)間。以這種方式，冷卻處理能夠被分布在若干級(jí)上。
圖6描繪了依據(jù)本發(fā)明的塞曼減速儀的實(shí)施例的橫截面，示出了用
于橫向和縱向減速的原子束403及激光束401、 402。原子束403由加熱 室(未示出)來發(fā)射，以及隨著它沿縱軸行進(jìn)它提供了漸增的橫截面直 徑。激光束401是反向傳播的，且提供縱向減速，即如上所述的冷卻。 依據(jù)本發(fā)明，傾斜的激光束還被發(fā)射進(jìn)通道中，它被壁405的內(nèi)表面反 射，所述壁405在線圏406和內(nèi)部通道之間延伸。該壁包括反射表面， 把傾斜的激光束402反射入通道中，以提供橫向冷卻(以及附加的縱向 冷卻，這取決于傾斜的角度)。石英管404圍繞原子束，以保護(hù)反射表 面。在該實(shí)施例中，沒有將整個(gè)體積(volume)都用于冷卻目的。而是， 石英管404和反射表面405之間的體積-故用于適合地反射激光束402， 以便提供高的傾斜度。反相線圏407、 408提供磁場(chǎng)分量，其突然終止 冷卻狀態(tài)。線圈407提供與線圏408、 406的方向相對(duì)的》茲場(chǎng)。由線圏 406、 407及408所產(chǎn)生的場(chǎng)平行于通道的縱軸，在垂直于縱軸的平面中 至少在由石英管404所限定的區(qū)域中是勻質(zhì)的。聲光調(diào)制器在如圖6中 所示的兩個(gè)方向y、 z上偏轉(zhuǎn)入射激光束。縱軸沿x軸延伸，而x、 y和 z方向形成笛卡爾坐標(biāo)系，即是互相垂直的。
圖7示出了塞曼減速儀，其單調(diào)地從輸入端延伸。然而，增加不是 恒定的。而是，取決于至輸入端的距離(包括偏移量)該半徑是指數(shù)函 數(shù)。在圖7中所使用的指數(shù)為0.6。然而，可以使用其他函數(shù)。在該曲 率下，通過由通道內(nèi)表面反射的激光束所執(zhí)行的橫向冷卻能夠被集中在 輸入附近的部分上，而較少橫向冷卻出現(xiàn)在原子束輸出附近的部分中。 另外，由于橫向冷卻而導(dǎo)致的漸增的準(zhǔn)直能夠被考慮，這導(dǎo)致具有帶有 類似級(jí)數(shù)的橫截面的原子束。圖7中所示的被排列在通道周圍的繞組產(chǎn) 生反映內(nèi)部通道的非線性曲率的場(chǎng)。圖7是以比例的表示，類似于圖2 和3。并且表示該線圈的繞組的任何相對(duì)或絕對(duì)尺寸與本發(fā)明有關(guān)。這 對(duì)于圖2、 3、 5及6也是正確的。在圖7中所示的繞組布置下，能夠提 供在垂直于縱軸的平面內(nèi)勻質(zhì)的場(chǎng)。另外，該場(chǎng)沿縱軸減少，并且由在 通道末端所描繪的反相線圏予以終止。
權(quán)利要求
1、具有冷卻部分(212)的塞曼減速儀，所述冷卻部分(212)包括沿縱軸(L)延伸的內(nèi)部通道(230)，所述內(nèi)部通道(230)具有垂直于所述縱軸(L)的橫截面，其特征在于，至少在所述冷卻部分(212)的一部分中，所述內(nèi)部通道(230)的所述橫截面的面積沿所述縱軸(L)單調(diào)增加。
2、 如權(quán)利要求l所述的塞曼減速儀，其中所述冷卻部分(212)沿 所述縱軸(L)從輸入端(210)至輸出端(220)延伸，其中在所述輸 出端(220)處的所述橫截面的面積至少是所述輸入端(210)處的所述 才黃截面的面積的120%。
3、 如前述權(quán)利要求中之一所迷的塞曼減速儀，其中所述內(nèi)部通道 的所述橫截面具有圓形形狀。
4、 如前述權(quán)利要求之一所述的塞曼減速儀，還包括圍繞所述內(nèi)部 通道(230 )的線圈(310),用來在所述縱軸(L)的方向上在內(nèi)部通 道(230)中提供磁場(chǎng)，其中所述磁場(chǎng)沿所述縱軸(L)單調(diào)減少并且在 垂直于所述縱軸(L)的平面內(nèi)在所述冷卻部分(212)中基本上是勻質(zhì) 的。
5、 如權(quán)利要求4的塞曼減速儀，還包括至少一個(gè)抽取線圏(120), 其鄰近所述輸出端(220)且被布置成用以產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)基本上 不同于在所述輸出端(230)附近在所述內(nèi)部通道(230)中由圍繞所述 內(nèi)部通道的所述線圈(310)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
6、 如前述權(quán)利要求之一所述的塞曼減速儀，還包括偏轉(zhuǎn)器(312), 其適于將射在所述偏轉(zhuǎn)器(312)上的至少部分光偏轉(zhuǎn)到所述內(nèi)部通道(230)中且斜向縱軸(L)。
7、 如權(quán)利要求6所述的塞曼減速儀，還包括在所述內(nèi)部通道(230) 的至少部分中的反射表面，所述反射表面被布置成用來接收來自所述偏 轉(zhuǎn)器的光且斜向所迷縱軸(L)將光反射到所述內(nèi)部通道(230)中。
8、 如權(quán)利要求6或7所述的塞曼減速儀，所述偏轉(zhuǎn)器適于將光偏轉(zhuǎn) 到所述內(nèi)部通道(230 )中，從而在所述內(nèi)部通道(230)的橫截面中產(chǎn) 生光能量分布，所述光能量分布對(duì)所述縱軸(L)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。
9、 如權(quán)利要求6至8之一所述的塞曼減速儀，還包括將激光束發(fā)射到所述偏轉(zhuǎn)器(320 )上的激光器件，所述偏轉(zhuǎn)器(320 ) 被布置成用來調(diào)節(jié)所述至少一個(gè)線圏(310)的所述縱軸(L)和所述激 光束之間的角度。
10、 如權(quán)利要求6至9之一所述的塞曼減速儀，所述偏轉(zhuǎn)器適于將光 引到所述輸出端(220 )的橫截面上，以用覆蓋所述輸出端的至少部分 區(qū)域的光能量的分布照亮所述輸出端(220)。
11、 如前述權(quán)利要求之一所述的塞曼減速儀，還包括用于提供原子 束的裝置，所述原子束通過所述輸入端(210)進(jìn)入所述內(nèi)部通道，并 且通過所述輸出端離開所述減速儀。
12、 具有內(nèi)表面的線圏(310),所述內(nèi)表面適于限定前述權(quán)利要 求之一所述的塞曼減速4義的所述內(nèi)部通道(230)，所述內(nèi)表面包括適 于將光反射到所述內(nèi)部通道(230)中的至少一個(gè)反射區(qū)。
13、 用于冷卻原子束的方法，包括步驟 提供磁場(chǎng)；將原子束發(fā)射到所述磁場(chǎng)中； 將至少部分光束引到所述原子束上，其特征在于 發(fā)射原子束的步驟包括沿縱軸發(fā)射原子束，所述原子束具有基本上 在垂直于所述縱軸(L)的方向擴(kuò)展的橫截面。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括步驟提供具有橫截面的內(nèi)部通道(230)，所述橫截面沿所述縱軸(L) 單調(diào)增加，所述內(nèi)部通道(230)適于調(diào)節(jié)所述原子束。
15、 如權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述原子束和/或所述內(nèi)部 通道的橫截面面積沿所述縱軸(L)整體地被擴(kuò)展至少大約20%。
16、 如權(quán)利要求13-15之一所述的方法，還包括其中 提供磁場(chǎng)包括提供具有平行于所述縱軸(L)的分量的磁場(chǎng)，這個(gè)縱向磁場(chǎng)分量具有沿所述縱軸(L)減少的磁場(chǎng)強(qiáng)度，所述縱向磁場(chǎng)分 量在垂直于所述縱軸(L)的平面中基本上是勻質(zhì)的，還包括步驟通過在斜向所述原子束的傳播方向的方向上將至少部分光束引到 所述原子束上，來在垂直于所述縱軸的方向上提供對(duì)原子束的附加的減 速。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中將至少部分光束引到所述原子 束上包括在基本上從縱軸(L)移置的位置處，將至少部分光束反射到所述原子束上且斜向所述原子束。
18、 用于通過實(shí)施權(quán)利要求13至17之一的方法進(jìn)行涂敷的方法。
19、 用于制造有機(jī)光電器件的方法，包括使用權(quán)利要求l-ll中之一的塞曼減速儀的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及塞曼減速儀器件、用于這樣的塞曼減速儀器件的線圈和用于冷卻原子束的方法。公開了具有冷卻部分(212)的塞曼減速儀，所述冷卻部分(212)包括沿縱軸(L)延伸的內(nèi)部通道(230)，該內(nèi)部通道(230)具有垂直于縱軸(L)的橫截面，其中至少在冷卻部分(212)的一部分中內(nèi)部通道(230)的橫截面面積沿縱軸(L)單調(diào)增加。
文檔編號(hào)H05H3/04GK101473705SQ200780023236
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者G·內(nèi)爾斯, S·巴洛徹夫, T·米特瓦, 安田章夫 申請(qǐng)人:索尼德國(guó)有限責(zé)任公司