一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统，包括激光光源，微波频率源，探测光路，原子成像装置，时序控制；经过干涉后下落的原子处在两种不同的a，b量子态上，与空间上水平靠上的一束探测光相互作用产生荧光，通过成像系统获得b量子态原子数目信息Nb，量子态原子继续下落过程中被清除出探测区域；在另一种a量子态原子在进入空间上水平靠下的一束探测光前，通过微波回泵的方法使得该量子态原子回泵到能够与探测光相互作用的b量子态，在剩余原子团穿过下束探测光发出荧光后，获得a量子态原子数目信息Na。本实用新型专利技术光路结构简单紧凑，上下两束激光频率相同，背景光强度不变，微波源可以快速开启和关断，具有很强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统
本技术属于原子分子物理领域，更具体地，涉及一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统。
技术介绍
在过去数十年里，原子干涉技术已迅速地发展成为精密测量中强有力的工具。因其潜在高灵敏度，在精密测量领域已被用来检验一些物理学的基本原理，探索新的物理领域；同时也在资源勘探、重力辅助导航等工程领域具有重要的应用前景。原子干涉仪的原子经过与激光相互作用完成干涉过程后，干涉相移是由处在某个量子态的跃迁概率所表征的。实验中测量最终处在不同量子态原子数目所占比例即可计算出该量。为了能够获得高信噪比的干涉条纹，设计高精度，高灵敏的冷原子探测系统占据了整个过程中重要的一环。以Mach-Zender原子干涉仪为例，其干涉后叠加态的表达式为：|Ψ＞＝ca|a＞+cb|b＞；跃迁概率P≡|cb|2。实验上探测分布在两个态上的原子数目Na，Nb，比值Nb/(Na+Nb)就被认为是处在叠加态是该量子态的分布概率的近似，即P≈Nb/(Na+Nb)。对于原子数目的探测，可分为以下几种方法：当原子处在激光场中时，原子与光子共振从基态跃迁到激发态，由于激发态寿命极短(对于87Rb原子52P3/2，约为26ns)，原子很快自发辐射放出一个光子回到基态，并重复以上过程。在这个过程中，由于探测激光的部分有固定方向光子被原子吸收，之后被散射到各个方向，如果收集各个方向散射的原子自发辐射光子并测量其强度，可以得到原子团分布，数目等相关信息，该探测原子数目方法就是荧光法；探测光穿过原子团后光强减弱，如果测量探测光光强的变化，也可以得到原子团分布，数目等相关信息，这就是所谓的吸收法；在吸收法基础上，通过光学成像技术去除掉未与原子作用的背景探测光，只收集荧光以及穿过原子团衍射后的探测光就是所谓的暗背景成像法(参见：M.Pappa，P.C.Condylis，G.O.Konstantinidis，V.Bolpasi，A.Lazoudis，O.Morizot，D.Sahagun，M.Baker，W，vonKlitzing，2011，Ultra-sensitiveatomimagingformatter-waveopticsNewJ.Phys.13，115012)。由于需探测两个态的原子数目Na，Nb，因此按时序分为分时探测和同时探测法。前者为在不同的时间通过两个不同的探测区域分别测量两个量子态的方法；而后者为在空间上将两个态的原子首先分离开然后再同时探测的方法。(参见：G.W.Biedermann，X.Wu，L.Deslauriers，K.Takase，M.A.Kasevich，2009Low-noisesimultaneousfluorescencedetectionoftwoatomicstates，Opt.Lett.34)。对原子干涉仪中多种量子态原子团传统的探测方案为分时荧光探测法(A.Peters，K.Y.Chung，S.Chu，2001，High-precisiongravitymeasurementsusingatominterferometry，Metrologia，38)。由于使用归一化探测，时序上需要对原子照射两次频率相同的探测光脉冲信号以收集荧光信号，因此需要能够快速响应开启和关断的光开关模块；并且在两束探测光间隔时间内照射一束频率与探测光不同的回泵光，这就需要有激光光源具有产生多个频率的移频模块。同时也有另一种改进的方法，即两束探测光和回泵光一直保持开启状态，但是这就导致不同量子态探测时的背景光强并不相同，影响成像时对原子数目比例的评估。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统，旨在解决现有技术中对快速开关激光束和产生多个激光频率的需求导致光学器件的增加，以及由于两束探测光中其中一束由两个激光频率的不同光斑而合成导致与另外一束单一频率相比背景光强不统一的问题。本技术提供了一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统，包括：激光光源模块、探测光路、微波频率源装置、原子成像装置和时序控制模块；所述激光光源模块用于产生与原子作用频率的激光；所述探测光路用于将所述激光传导至真空腔中的探测区域；所述微波频率源装置产生的微波通过天线与原子在所述探测区域相互作用产生受激原子；所述原子成像装置用于采集所述受激原子的荧光信号；所述时序控制模块控制分别与所述激光光源模块、所述探测光路、所述微波频率源装置和所述原子成像装置连接，用于控制整个探测过程中各个模块的开启或关断。更进一步地，所述探测光路包括：λ/2波片、PBS、反射镜和挡光片；所述λ/2波片和PBS构成激光入口，用于调节照射入真空腔激光的光功率；所述反射镜设置在真空腔相对光入射方向的另一侧，用于将激光沿原路反射；所述挡光片设置在所述反射镜的镜面靠下1/4处，用于遮挡反射镜，使得入射光不反射。更进一步地，所述微波频率源装置包括：通过同轴电缆依次连接的微波频率合成器，微波放大器和微波天线；所述微波频率合成器用于产生微波信号，所述微波放大器用于对所述微波信号进行放大，所述微波天线用于将放大后的微波信号向所述探测区域的中心辐射。更进一步地，所述原子成像装置包括：分别设置在所述真空腔两侧的透镜和光电二极管；所述透镜用于将其一侧真空腔探测区域中心的相聚焦到另一侧的光电二极管上；所述光电二极管用于将光信号转换成电信号。本技术中提供的原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统的工作过程，包括下述步骤：(1)当待探测的原子团进入探测系统时，控制第一束激光与所述原子团相互作用使得原子团发出第一荧光；(2)使用挡光片的方法利用第一束激光将第一个态原子朝原子下落正交方向加速，将该态原子从整个下落原子团中剥离出来；(3)当剥离后的仅包括第二个态原子的原子团下落至第一束激光与第二束水平激光之间时，控制微波与第二个态原子相互作用使得全部第二个态原子回泵跃迁至第一个态；(4)控制第二束激光与原本处于第一个态，现在变为第二个态的原子相互作用使得原子团发出第二荧光；(5)根据所述第一荧光和所述第二荧光获得待探测的原子团中处于两个态的原子的数目比例。更进一步地，所述第一束激光与所述第二束激光的频率、功率均相同。更进一步地，所述第一束激光与所述第二束激光的频率大小为将原子从基态|b>跃迁到激发态|i>的频率。更进一步地，所述第一束激光与所述第二束激光之间的距离大于等于100mm。本技术的优点在于：(1)本技术的光源光路结构简单，探测激光光源在整个过程中只有一个从|b>态跃迁到|i>的激光频率，从而省去产生从|a>态跃迁到|i＞态的激光频率的光学元器件。(2)微波源可以在100ns量级实现快速的开启和关闭，实现时序控制的简单化且省去光学开关器件。(3)因为不需要额外引入从|a〉态跃迁到|i＞态的所谓回泵光，整个探测过程中上下两束探测光频率以及光强相同，而且一直保持开启状态，对于原子成像系统可以保证探测两个原子态荧光信号时背景光强相同且保持不变。附图说明图1探测系统空间结构示意图；图2原子能级结构以及激光、微波频率示意图；图3探测系统时序示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统，其特征在于，包括：激光光源模块、探测光路、微波频率源装置、原子成像装置和时序控制模块；所述激光光源模块用于产生与原子作用频率的激光；所述探测光路用于将所述激光传导至真空腔中的探测区域；所述微波频率源装置产生的微波通过天线与原子在所述探测区域相互作用产生受激原子；所述原子成像装置用于采集所述受激原子的荧光信号；所述时序控制模块控制分别与所述激光光源模块、所述探测光路、所述微波频率源装置和所述原子成像装置连接，用于控制整个探测过程中各个模块的开启或关断。

【技术特征摘要】
1.一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统，其特征在于，包括：激光光源模块、探测光路、微波频率源装置、原子成像装置和时序控制模块；所述激光光源模块用于产生与原子作用频率的激光；所述探测光路用于将所述激光传导至真空腔中的探测区域；所述微波频率源装置产生的微波通过天线与原子在所述探测区域相互作用产生受激原子；所述原子成像装置用于采集所述受激原子的荧光信号；所述时序控制模块控制分别与所述激光光源模块、所述探测光路、所述微波频率源装置和所述原子成像装置连接，用于控制整个探测过程中各个模块的开启或关断。2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述探测光路包括：λ/2波片、PBS、反射镜和挡光片；所述λ/2波片和PBS构成激光入口，用于调节照射入真空腔激...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡忠坤，崔嘉丰，段小春，徐耀耀，漆坤，周敏康，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42