一種可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置制造方法
【專利摘要】一種可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其采用三對冷卻激光束與真空腔內(nèi)的原子共振并冷卻，再加一對以原子束出射方向為軸線的反亥姆霍茲線圈對原子產(chǎn)生向中心的捕獲力；三對激光束由三個依次裝有1/2波片、PBS、1/4波片和透鏡的擴束器產(chǎn)生平行激光束，及相應(yīng)經(jīng)1/4波片和反射鏡反射得到的同入射光同頻、相反偏振態(tài)反射光束組成；在其中一對激光束中耦合一路再泵浦光提高原子利用率；在沿原子束出射方向的1/4波片和反射鏡中心小孔形成不平衡光壓將原子漏出，得到連續(xù)冷原子束；通過改變原子束出射方向上對應(yīng)激光束的偏振態(tài)，改變激光束與原子的相互作用力，實現(xiàn)原子束速度和通量連續(xù)可調(diào)，即實現(xiàn)了對原子束的調(diào)頻調(diào)幅。
【專利說明】一種可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于量子物理領(lǐng)域冷原子束制備裝置，特別涉及一種可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型 冷原子束制備裝直。

【背景技術(shù)】
[0002] 冷原子束是利用激光冷卻效應(yīng)產(chǎn)生的速度小、速度分布窄、發(fā)散角小的原子束，具 有良好的相干性、光譜分辨率、靈敏度等特性。在超高分辨率光譜、量子頻標、原子反射、原 子衍射、原子干涉、玻色-愛因斯坦凝聚（BEC)實驗、原子光刻、原子鐘等領(lǐng)域得到了廣泛的 應(yīng)用。
[0003] 目前，連續(xù)型冷原子束的制備系統(tǒng)有兩種：
[0004] 1. 3D-M0T,如文獻：2.1\1^11，1(.]^.〇〇『￥；[11，]\1.]\1?61111，？117 8.1?6￥· Lett.，1996, 77:3331-3334 所記載；
[0005] 2. 2D+-M0T，如文獻：Simone Gotz，Bastian Holtkemeier，Christoph S，Reviewof Scientific Instruments, 2012, 83, 073112 所記載；
[0006] 兩種系統(tǒng)的區(qū)別在于：3D_M0T的磁場是由一對反亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的，在三維方 向上均存在磁場梯度；2D+-M0T的磁場由兩對方形線圈產(chǎn)生，在沿原子束出射方向上磁場為 0,即在該方向上原子僅受到激光束的散射力。在實驗中，3D-M0T得到的原子束的通量通常 在10 9量級，2D+-M0T得到的原子束通量可以達到101°量級，且2D+-M0T得到的原子束的發(fā)散 角比3D-M0T更小。
[0007] 通常情況下，經(jīng)Μ0Τ得到的原子束的速度和通量是不可調(diào)的，即采用的系統(tǒng)方案、 激光束光強和失諧量、磁場梯度等參數(shù)確定后，原子束的速度和通量是一定的。在文獻 K. Dieckmann, R. J. C. Spreeuw, M. Weidemuller, Phys. Rev. A.，1998, 58:3891-3895 所述的冷 原子束制備系統(tǒng)結(jié)合了 2D+-M0T和3D-M0T兩種結(jié)構(gòu)，即同時加有反亥姆霍茲線圈和方形線 圈，采用不同的Μ0Τ方式得到的原子束的速度和通量不同；在文獻Sung Jong Park，Jiho Noh, Jongchul Mun, Optics Communications, 2012, 285:3950-3954 所述的冷原子束制備系 統(tǒng)采用了 2D+-M0T，其推射光在采用了冷卻所用的紅失諧光外，還耦合了一束藍失諧的光， 僅紅失諧的光作用時得到的冷原子束的最可幾速度為20m/s，當藍失諧光也同時作用時，對 原子束縱向加速，通過調(diào)節(jié)該束光的失諧量和光強，出射的冷原子束的速度可從25m/s變 化至45m/s。
[0008] 上述兩種裝置雖可實現(xiàn)原子束速度和通量的變化，但系統(tǒng)較復(fù)雜，操作也較繁瑣， 且得到的速度和通量值的變化也不是連續(xù)的，因此，一種簡單的速度和通量可調(diào)的裝置在 冷原子束的應(yīng)用中具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于：在制備連續(xù)型冷原子束的3D-M0T系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提供一種可 調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置；簡單操作即可實現(xiàn)原子束速度、通量在一定范圍內(nèi) 連續(xù)可調(diào)，即實現(xiàn)了對連續(xù)冷原子束的調(diào)頻調(diào)幅，提高冷原子束應(yīng)用的靈活性。
[0010] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] 本發(fā)明提供的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其由三個呈三維布置的擴 束器及相應(yīng)1/4波片和反射鏡組成的三對冷卻激光束、一束再泵浦激光和一對位于真空腔 腔壁兩端的反亥姆霍茲線圈構(gòu)成；
[0012] 所述的三個呈三維布置的擴束器為置于Y軸上的第一擴束器28、置于X軸上的第 二擴束器29和置于Z軸上的第三擴束器5 ;所述第一擴束器28由依次裝成一體的第一 1/2 波片31、第一偏振分光棱鏡37、第一 1/4波片33和第一平凸透鏡38組成；所述第二擴束器 29由依次裝成一體的第二1/2波片32、第二偏振分光棱鏡40、第二1/4波片34和第二平凸 透鏡39組成；所述第三擴束器5由依次裝成一體的第三1/2波片2、第三偏振分光棱鏡3、 第三1/4波片4和第三平凸透鏡6組成；
[0013] 對原子產(chǎn)生冷卻效應(yīng)的激光束由圖2所示的光路產(chǎn)生，第一激光器12輸出的激光 經(jīng)過一臺激光功率放大器13放大后，利用第四偏振分光棱鏡14分束為第一光束2'和第二 光束3' ；所述第一光束2'經(jīng)過第一透鏡18聚焦后，經(jīng)第一聲光調(diào)制器15移頻，再通過第 一光纖稱合頭16進入一分二光纖19分為兩路光：該兩路光為第一橫向冷卻光30和第二橫 向冷卻光17 ;所述第一橫向冷卻光30和第二橫向冷卻光17分別接入第一擴束器28和第 二擴束器29 ;第二光束3'經(jīng)過第二透鏡22聚焦后，經(jīng)第二聲光調(diào)制器23移頻，通過第二 光纖耦合頭24產(chǎn)生一路光束，該路光束作為縱向冷卻光1接入第三擴束器5 ;
[0014] 所述的一束再泵浦激光由第二激光器20產(chǎn)生；第二激光器20輸出的激光經(jīng)第三 光纖耦合頭26產(chǎn)生再泵浦激光束27,該再泵浦激光束27接入第一擴束器28上的再泵浦光 光纖耦合頭11并與第一橫向冷卻光30耦合；
[0015] 裝于真空腔腔壁兩端的一對反亥姆霍茲線圈10中心位于z軸上，其通入的電流大 小相等、方向相反；該對反亥姆霍茲線圈10用于產(chǎn)生所需磁場梯度的磁場；
[0016] 所述的縱向冷卻光1、第一橫向冷卻光30、第二橫向冷卻光17和一束再泵浦激光 束27、一對反亥姆霍茲線圈10構(gòu)成磁光阱，在真空腔內(nèi)形成原子團7,原子經(jīng)過第三擴束器 5所對應(yīng)的1/4波片8和反射鏡9中心處的1mm小孔出射連續(xù)型冷原子束Γ ;通過改變沿 原子束出射方向的縱向冷卻光1及其反射光的偏振態(tài)，從而改變連續(xù)冷原子束1'速度和通 量，得到可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)冷原子束。
[0017] 沿原子束出射方向上存在磁場梯度，該梯度由所述的一對反亥姆霍茲線圈10產(chǎn) 生。通過改變原子束出射方向上第一擴束器5激光束的偏振態(tài)，實現(xiàn)對連續(xù)原子束調(diào)頻調(diào) 幅。將第三擴束器5內(nèi)的第三1/4波片4經(jīng)一電機35和一信號發(fā)生器36相連接，通過設(shè) 定該信號發(fā)生器輸出信號的頻率和幅值控制電機的振蕩頻率和幅度，實現(xiàn)對輸出的連續(xù)冷 原子束的頻率幅度的調(diào)制。
[0018] 具體操作步驟如下：
[0019] 1.在第三擴束器5內(nèi)依次安裝第三1/2波片2、偏振分光棱鏡（PBS)3、第三1/4波 片4和平凸透鏡6,連接縱向冷卻光1調(diào)節(jié)輸出激光束為平行、均勻分布高斯光束；同理安 裝第一擴束器28和第二擴束器29 ;
[0020] 2、將第三擴束器5沿原子束出射方向（沿z軸）固定在真空腔外，并使其中心軸同 z軸重合,中心有1mm小孔的1/4波片8和反射鏡9用于反射第一擴束器5的輸出光束，其 中心均位于Z軸上，鏡面垂直于Z軸；同理，放置第二擴束器29及其相應(yīng)1/4波片40和反 射鏡39在X軸上；放置第一擴束器28及其相應(yīng)1/4波片37和反射鏡38在y軸上；一對反 亥姆霍茲線圈10裝在真空腔腔壁兩端，其中心位于z軸，所處平面垂直于z軸；
[0021] 3、將真空腔抽真空至l(T7Pa以下；
[0022] 4、加熱銣源成為銣蒸汽進入真空腔；
[0023] 5、將第一激光器12鎖定在87Rb的|F=2> - |F'=2X3>共振頻率上，設(shè)置第一 聲光調(diào)制器15和第二聲光調(diào)制器23移頻頻率為103MHZ ;第二激光器20鎖定在87Rb的 F=l> - |F'=2>共振頻率上；
[0024] 6、將反亥姆霍茲線圈10通以大小相等、方向相反的電流，使Μ0Τ中的磁場梯度約 為 10G/cm ;
[0025] 7、旋轉(zhuǎn)第三擴束器5內(nèi)的第三1/2波片2,使經(jīng)第三PBS3反射的光最弱，同理，旋 轉(zhuǎn)第一擴束器28內(nèi)的第一 1/2波片31和第二擴束器29內(nèi)的第二1/2波片32 ;
[0026] 8、旋轉(zhuǎn)第三擴束器5內(nèi)的第三1/4波片4,使經(jīng)1/4波片8和反射鏡9反射后的光 束經(jīng)第三PBS3反射的光最弱，此時縱向冷卻光為δ +光，同理，旋轉(zhuǎn)第一擴束器（28)的第一 1/4波片33和第二擴束器29內(nèi)的第二1/4波片34,使兩對橫向冷卻光也為δ +光；
[0027] 9、通過改變與原子束出射方向同向的縱向冷卻光1的偏振態(tài)，從而對原子束進行 調(diào)頻調(diào)幅；
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 本發(fā)明的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，在常用的連續(xù)冷原子束制備的 3D-M0T系統(tǒng)上，通過簡單的操作實現(xiàn)了原子束速度、通量在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，即實現(xiàn)了 對連續(xù)冷原子束的調(diào)頻調(diào)幅，使得冷原子束在原子干涉儀、原子鐘等領(lǐng)域的應(yīng)用中能根據(jù) 需要調(diào)整原子束的性能，方便了對冷原子束的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為用于本發(fā)明的連續(xù)型冷原子束制備的光路圖。

【具體實施方式】：
[0032] 下面結(jié)合附圖及實施例進一步詳細描述本發(fā)明。
[0033] 實施例1 :
[0034] 參考圖1和2,本發(fā)明的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其由三個呈三維 布置的擴束器及相應(yīng)1/4波片和反射鏡組成的三對冷卻激光束、一束再泵浦激光和一對位 于真空腔腔壁兩端的反亥姆霍茲線圈構(gòu)成；
[0035] 所述的三個呈三維布置的擴束器為置于Υ軸上的第一擴束器28、置于X軸上的第 二擴束器29和置于Ζ軸上的第三擴束器5 ;所述第一擴束器28由依次裝成一體的第一 1/2 波片31、第一偏振分光棱鏡37、第一 1/4波片33和第一平凸透鏡38組成；所述第二擴束器 29由依次裝成一體的第二1/2波片32、第二偏振分光棱鏡40、第二1/4波片34和第二平凸 透鏡39組成；所述第三擴束器5由依次裝成一體的第三1/2波片2、第三偏振分光棱鏡3、 第三1/4波片4和平凸透鏡6組成；
[0036] 第一激光器12輸出的激光經(jīng)過一臺激光功率放大器13放大后，利用第四偏振分 光棱鏡14分束為第一光束2'和第二光束3' ；所述第一光束2'經(jīng)過第一透鏡18聚焦后，經(jīng) 第一聲光調(diào)制器15移頻，再通過第一光纖耦合頭16進入一分二光纖19分為兩路光：該兩 路光為第一橫向冷卻光30和第二橫向冷卻光17 ;所述第一橫向冷卻光（30)和第二橫向冷 卻光17分別接入第一擴束器28和第二擴束器29 ;第二光束3'經(jīng)過第二透鏡22聚焦后， 經(jīng)第二聲光調(diào)制器23移頻，通過第二光纖耦合頭24產(chǎn)生一路光束，該路光束作為縱向冷卻 光1接入第三擴束器5 ;
[0037] 所述的一束再泵浦激光由第二激光器20產(chǎn)生；第二激光器20輸出的激光經(jīng)第三 光纖耦合頭26產(chǎn)生再泵浦激光束27,該再泵浦激光束27接入第一擴束器28上的再泵浦光 光纖耦合頭11并與第一橫向冷卻光30耦合；
[0038] 裝于真空腔腔壁兩端的一對反亥姆霍茲線圈10中心位于z軸上，其通入的電流大 小相等、方向相反；該對反亥姆霍茲線圈10用于產(chǎn)生所需磁場梯度的磁場；
[0039] 所述的縱向冷卻光1、第一橫向冷卻光30、第二橫向冷卻光17和一束再泵浦激光 束27、一對反亥姆霍茲線圈10構(gòu)成磁光阱，在真空腔內(nèi)形成原子團7,原子經(jīng)過第三擴束器 5所對應(yīng)的1/4波片8和反射鏡9中心處的1mm小孔出射形成連續(xù)型冷原子束Γ。
[0040] 冷原子束制備所需的光路系統(tǒng)包括：由第二激光器12的輸出激光經(jīng)輸出功率達 1. 5W的功率放大器13后，經(jīng)偏振分光棱鏡（PBS)14分束為用于橫向冷卻的第一光束2'和 用于縱向冷卻的第二光束3' ；所述第一光束2'經(jīng)第一透鏡18聚焦后，通過聲光調(diào)制器15 移頻至冷卻所需激光頻率，經(jīng)光纖耦合頭16耦合后經(jīng)一分二光纖19產(chǎn)生光功率相等的第 一束橫向冷卻光17和第二橫向冷卻光30 ;所述縱向冷卻光束3'經(jīng)第二透鏡22聚焦后，通 過聲光調(diào)制器23移頻至冷卻所需激光頻率；縱向冷卻光束3'通過單模保偏光纖1作為縱 向冷卻光；依據(jù)所需冷原子束的速度確定該路光的失諧量、功率；激光器20輸出的光作為 再泵浦激光將基態(tài)處于1態(tài)的原子泵浦到2態(tài)，提高原子的利用率，提高原子團的捕獲率及 原子束的通量。
[0041] 冷原子束的制備系統(tǒng)基于LVIS模型，實驗裝置如圖1所示，依次裝有1/2波片、偏 振分光棱鏡PBS、1/4波片、平凸透鏡的擴束器5、擴束器28、擴束器29,分別放置在z軸、y 軸、X軸上，經(jīng)光纖1，30, 17輸出3束冷卻光(其圓偏振方向為〇+)，經(jīng)對應(yīng)的1/4波片和反 射鏡形成的三束反射光(其圓偏振方向為σ〇,其中在原子束出射方向上的1/4波片和反射 鏡中心帶有1mm的小孔，由于在該方向上輻射壓力不平衡形成原子束；反亥姆霍茲線圈10 中心位于z軸，所在平面垂直于z軸，用于產(chǎn)生所需磁阱，放置于真空腔外。
[0042] 在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，得到的冷原子束的技術(shù)指標如下：其縱向最可幾速度為10m/ s，縱向速度分布寬度為4m/s，橫向速度不大于10cm/s，原子束通量可達108atoms/s量級。 以此為中心在± π /4的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)推射光擴束器5內(nèi)的1/4波片4,此時推射光及其對應(yīng) 反射光的偏振態(tài)為橢圓偏振態(tài)，可分解為σ +和σ'旋轉(zhuǎn)該1/4波片4至可得到所需原子 束速度的位置，在任意位置得到的原子束的速度穩(wěn)定性可達±〇. lm/s，以出射光為〇 +的位 置作為中心順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)得到的結(jié)果是對稱相等的，得到的冷原子束的速度可調(diào)范 圍為：10?20m/s，通量的可調(diào)范圍為：10 8?109atoms/s。
[0043] 實施例2 :
[0044] 在實施例1的基礎(chǔ)上，將第三擴束器5內(nèi)的1/4波片4經(jīng)一電機35和信號發(fā)生器 36相連接，依據(jù)出射原子束頻率調(diào)制的需要，設(shè)定信號發(fā)生器36的輸出頻率和幅值，驅(qū)動 電機35帶動1/4波片4以特定頻率和幅度轉(zhuǎn)動，出射的原子束速度和通量以某特定頻率和 幅值連續(xù)變化，實現(xiàn)對連續(xù)冷原子束的頻率幅度的調(diào)制。
【權(quán)利要求】
1. 一種可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其由三個呈三維布置的擴束器及相應(yīng) 1/4波片和反射鏡組成的三對冷卻激光束、一束再泵浦激光和一對位于真空腔腔壁兩端的 反亥姆霍茲線圈構(gòu)成； 所述的三個呈三維布置的擴束器為置于Y軸上的第一擴束器（28)、置于X軸上的第二 擴束器（29)和置于Z軸上的第三擴束器（5);所述第一擴束器（28)由依次裝成一體的第 一 1/2波片（31)、第一偏振分光棱鏡（37)、第一 1/4波片（33)和第一平凸透鏡（38)組成； 所述第二擴束器（29)由依次裝成一體的第二1/2波片（32)、第二偏振分光棱鏡（40)、第二 1/4波片（34)和第二平凸透鏡（39)組成；所述第三擴束器（5)由依次裝成一體的第三1/2 波片（2)、第三偏振分光棱鏡（3)、第三1/4波片（4)和平凸透鏡（6)組成； 第一激光器（12)輸出的激光經(jīng)過一臺激光功率放大器（13)放大后，利用第四偏振分 光棱鏡（14)分束為第一光束（2'）和第二光束（3'）;所述第一光束（2'）經(jīng)過第一透鏡（18) 聚焦后，經(jīng)第一聲光調(diào)制器（15)移頻，再通過第一光纖耦合頭（16)進入一分二光纖（19)分 為兩路光：該兩路光為第一橫向冷卻光（30)和第二橫向冷卻光（17);所述第一橫向冷卻光 (30 )和第二橫向冷卻光（17 )分別接入第一擴束器（28 )和第二擴束器（29 );第二光束（3'） 經(jīng)過第二透鏡（22)聚焦后，經(jīng)第二聲光調(diào)制器（23)移頻，通過第二光纖耦合頭（24)產(chǎn)生一 路光束，該路光束作為縱向冷卻光（1)接入第三擴束器（5); 所述的一束再泵浦激光由第二激光器（20)產(chǎn)生；第二激光器（20)輸出的激光經(jīng)第三 光纖耦合頭（26 )產(chǎn)生再泵浦激光束（27 )，該再泵浦激光束（27 )接入第一擴束器（28 )上的 再泵浦光光纖耦合頭（11)并與第一橫向冷卻光（30)耦合； 裝于真空腔腔壁兩端的一對反亥姆霍茲線圈（10)中心位于z軸上，其通入的電流大小 相等、方向相反；該對反亥姆霍茲線圈（10)用于產(chǎn)生所需磁場梯度的磁場； 所述的縱向冷卻光（1)、第一橫向冷卻光（30)、第二橫向冷卻光（17)和一束再泵浦激 光束（27)、一對反亥姆霍茲線圈（10)構(gòu)成磁光阱，在真空腔內(nèi)形成原子團（7)，原子經(jīng)過第 三擴束器（5)所對應(yīng)的1/4波片（8)和反射鏡（9)中心處的1mm小孔出射形成連續(xù)型冷原 子束（1'）;通過改變沿原子束出射方向的縱向冷卻光（1)的偏振態(tài)，從而改變連續(xù)冷原子束 (1'）的速度和通量，得到可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)冷原子束。
2. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其特征在于，沿原子 束出射方向上存在磁場梯度，該梯度由所述的一對反亥姆霍茲線圈（10)產(chǎn)生。
3. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其特征在于，通過改 變原子束出射方向上第一擴束器（5)激光束的偏振態(tài)，實現(xiàn)對連續(xù)原子束調(diào)頻調(diào)幅。
4. 按權(quán)利要求3所述的可調(diào)頻調(diào)幅的連續(xù)型冷原子束制備裝置，其特征在于，將第三 擴束器（5)內(nèi)的第三1/4波片（4)經(jīng)一電機和一信號發(fā)生器相連接，通過設(shè)定該信號發(fā)生器 輸出信號的頻率和幅值控制電機的振蕩頻率和幅度，實現(xiàn)對輸出的連續(xù)冷原子束的頻率幅 度的調(diào)制。
【文檔編號】H05H3/02GK104144554SQ201310169981
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月9日
【發(fā)明者】馮焱穎, 陳姝, 薛洪波, 熊繼軍 申請人:清華大學(xué)