一種二維磁光阱裝置的制作方法

本發明屬于原子冷卻技術，具體涉及一種為三維磁光阱提供一種小型化、持續高速流的二維磁光阱裝置。

背景技術：

隨著激光冷卻技術的發展，尤其是激光冷卻原子技術的出現和成熟，原子的溫度可以被降低到μK甚至nK數量級，原子的相干性被大大地提高，冷原子的研究應用成為熱點。原子慣性器件如冷原子陀螺、原子加速計、原子重力儀、原子噴泉等方面的研究也取得重要進展。冷原子源作為這些研究的載體，獲得速度分布窄、發散角小、高通量的冷原子源成為研究的重點。

冷原子源的制備技術通常采用三維磁光阱技術，三維磁光阱加載冷原子的效率是影響性能的主要因素。對于小型化可移動裝置，由于激光功率和空間都受限制，較高的原子加載率就更為重要。為了提高三維磁光阱中冷原子加載速率，通常需要原子預冷卻裝置。二維磁光阱是常見的原子預冷卻裝置，傳統的二維磁光阱采用兩對反亥姆霍茲線圈，在長軸對稱軸形成零磁場線，在垂直長軸的兩個正交方向上，采用兩對冷卻光束垂直于長軸入射，同時在長軸方向采用推送光，從而將原子沿長軸方向移動進入超高真空腔內。這種方案光路比較復雜，空間尺寸大，同時使用過多的光學器件使得光功率損耗比較大，對激光功率要求比較高，因此不適用于小型化、工程化應用中。

技術實現要素：

本發明的目的：提供一種在小型化的基礎上能得到持續高速流的二維磁光阱裝置。

本發明的技術方案是：一種二維磁光阱裝置，其包括第一反射鏡1、真空腔2、第一激光準直擴束系統3、第二反射鏡4、第二激光準直擴束系統5、第一線圈對6、第二線圈對7，其中，所述第一激光準直擴束系統3位于真空腔第一入射面一側，出射方向與真空腔表面傾斜，第一反射鏡1位于真空腔另一側，與第一激光準直擴束系統3對應；所述第二激光準直擴束系統5位于真空腔第二入射面一側，出射方向與真空腔表面傾斜，第二反射鏡4位于真空腔第二入射面另一側，與第二激光準直擴束系統5對應，第一線圈對6和第二線圈對7分別設置在第一激光準直擴束系統3與第一反射鏡1之間及第二激光準直擴束系統5與第二反射鏡4之間，真空腔第一入射面與真空腔第二入射面相鄰且相互垂直。

真空腔2長軸的一側置有中性原子源8，用于釋放中性原子氣體。對應的另一側有差分輸出管9，且其直徑為4mm，長約16mm，其中8mm伸入到真空腔中，該差分管將真空腔與更高真空的三維磁光阱的真空腔連接起來，并保持兩個真空腔之間的氣壓差。

所述第一激光準直擴束系統3的出射方向與真空腔第一入射面表面傾斜角度與第二激光準直擴束系統5的出射方向與真空腔第二入射面表面傾斜角度相同，且傾斜角度在1°～15°。

第一反射鏡1與第二反射鏡5分別與真空腔第一入射面及真空腔第二入射面平行。

第一激光準直擴束系統3與第二激光準直擴束系統5完全相同，二者均包括沿光軸順次設置的光纖激光器10、光纖耦合器11、1/4波片12、凹透鏡13、凸透鏡14。

第一線圈對6和第二線圈對7為反亥姆霍茲線圈，所有線圈的電流均相等。

本發明的技術效果是：本發明二維磁光阱裝置采用簡單、緊湊的光路和結構設計，可以實現在無軸向外加推送光的條件下，得到橫向發散角小、高通量的冷原子束。而且原子預冷卻裝置結構簡單，體積小，實現了磁光阱原子冷卻系統的小型化。

附圖說明

圖1是本發明二維磁光阱裝置；

圖2是本發明二維磁光阱裝置的光路圖；

圖3是本發明二維磁光阱裝置中激光準直擴束系統示意圖；

其中，1-第一反射鏡，2-真空腔，3-第一激光準直擴束系統，4-第二反射鏡，5-第二激光準直擴束系統，6-第一線圈對，7-第二線圈對，8-原子源，9-差分管，10-光纖激光器，11-光纖耦合器，12-1/4波片，13-凹透鏡，14-凸透鏡。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

請參閱圖1，本發明二維磁光阱裝置包括第一反射鏡1、真空腔2、第一激光準直擴束系統3、第二反射鏡4、第二激光準直擴束系統5、第一對6、第二線圈對7。其中，所述第一激光準直擴束系統3位于真空腔 第一入射面一側，出射方向與真空腔表面傾斜，第一反射鏡1位于真空腔2另一側，與第一激光準直擴束系統3對應。所述第二激光準直擴束系統5位于真空腔第二入射面一側，出射方向與真空腔表面傾斜，第二反射鏡4位于真空腔第二入射面另一側，與第二激光準直擴束系統5對應。真空腔第一入射面與真空腔第二入射面相鄰且相互垂直。

所述真空腔2所用材料為微晶玻璃，4個通光面鍍有增透膜，與真空腔之間采用低溫鍵合技術密封。

所述真空腔2長軸的一側置有中性原子源8，原子源8與真空腔2之間用法蘭連接。中性原子源可以是堿金屬原子，如銣原子、銫原子等，但不限于堿金屬原子。原子源中原子為固態，通過加熱原子源，達到原子的飽和蒸汽壓，將原子以氣體的形式釋放到真空腔2中。真空腔2長軸的另一側有差分輸出管9，且其直徑為4mm，長約16mm，其中有8mm伸入到真空腔2中，差分輸出管9的另一端連接更高真空度的三維磁光阱的真空腔。該差分管一方面起到過濾準直作用，只有橫向速度小的原子才能通過，進入到三維磁光阱的真空腔，另一方面，保持兩個真空腔之間的氣壓差。

所述第一線圈對6和第二線圈對7分別設置在第一激光準直擴束系統3與第一反射鏡1之間及第二激光準直擴束系統5與第二反射鏡1之間，對稱的分布在真空腔兩側，第一線圈對6和第二線圈對7均為反亥姆霍茲線圈，所通電流相等，在真空腔長軸附近形成零磁場線，兩個短軸方向為四極磁阱。第一線圈對6和第二線圈對7的框架均采用鋁合金，通過螺釘固定在一起，環繞在真空腔2的四周。

所述第一激光準直擴束系統3出射方向與真空腔第一入射面表面傾斜角度與第二激光準直擴束系統5出射方向與真空腔第二入射面表面傾斜角度相同，且傾斜角度在1°～15°，以保證冷卻效果的穩定性。第一反射鏡1與第二反射鏡4分別與真空腔第一入射面及真空腔第二入射面平行。

在傳統的二維磁光阱裝置中，兩對冷卻光束在垂直長軸的兩個正交方向上，且長軸方向外加推送光，才能保證被囚禁在長軸附近的原子被推送到更高真空腔中。本發明的一個重要創新點在于傾斜光路的設計。本發明中將冷卻光束的入射方向相對于垂直于長軸的方向傾斜一定的角度，用第一反射鏡1和第二反射鏡4將光束反射形成對射的冷卻激光束。

本發明所述激光光路示意圖如圖2所示。假設入射光的光強分量為k_I，傾斜角度為α，設反射鏡損耗為δ，則反射光光強分量為δk_I，則在沿長軸也即是原子束出射方向上的光強總分量為：

k₁＝k_I sinα+δk_I sinα

考慮到與其正交的另外一個方向上冷卻光也是同樣的情況，沿長軸的分量相同，因此，長軸總的激光光強分量為

k＝2k₁＝2k_I(1+δ)sinα

該光強分量可以等效于沿長軸方向上的推送光，有效的將橫向冷卻的原子推送出去。通過本發明上述光路設計，可以在無外加推送光的情況下，獲得高通量的冷原子束。

本發明采用緊湊的激光準直擴束系統，圖3為激光準直擴束系統示意圖。第一激光準直擴束系統3與第二激光準直擴束系統5完全相同， 二者均包括沿光軸順次設置的光纖激光器8、光纖耦合器9、1/4波片10、凹透鏡11、凸透鏡12。上述器件集成在一塊基板上，簡單緊湊，使得整個光路系統變得小型化。