超大光学厚度的冷原子系统技术方案

本发明专利技术公开了一种超大光学厚度冷原子系统。该系统包括磁光阱，单光束光偶极阱。在磁光阱俘获足够的冷原子后，打开光阱激光，形成单光束光偶极阱，则冷原子由磁光阱转移到单光束光偶极阱中，光学厚度测量值可达3000。本发明专利技术装置中的冷原子系统具有实现容易，冷原子团长度长、密度高，形状规则、位置稳定，可以不需撤掉光偶极阱进行实验，容许的光学模式少等特性，为量子存储、量子纠缠光源等量子光学和非线性光学领域的关键技术应用提供理想的物理平台。

Cold Atomic System with Super Large Optical Thickness

【技术实现步骤摘要】
超大光学厚度的冷原子系统
本专利技术属于冷原子物理领域，具体涉及一种超大光学厚度的冷原子系统。
技术介绍
激光冷却的原子(也即冷原子)在极低温度下，即使是到uk甚至nk量级，仍维持着气态，此时原子间的碰撞概率很低，可以认为原子基本处于孤立状态，这是一种研究原子分子特性非常理想的体系。在冷原子系统中，所属
用光学厚度表征光子与体系的作用强度，光学厚度越大，光与物质相互作用的强度越高。提高光学厚度对许多冷原子实验都很有意义，比如能增加量子存储的效率、增加光子关联对的产生率、增加光学非线性效率等，因此需要有一种简单有效的技术产生超大光学厚度的冷原子系统。现有产生超大光学厚度系统的技术有二维磁光阱技术(光学厚度最大接近2000)，光子晶体光纤俘获冷原子技术(光学厚度最大为1000)等等。二维磁光阱技术形成的冷原子分布不规则，受不均匀磁场和激光波前、光强平衡影响很大，撤掉磁光阱后原子团迅速膨胀，对后续实验很不利；光子晶体光纤技术需要将光纤放置于真空腔中，实现困难，且需要很高的原子团密度才能达到较高的光学厚度，这在实验上是不容易实现的。现有技术中对二维磁光阱使用时间暗磁光阱技术、压缩磁光阱技术、塞曼光泵浦技术，同时结合大的原子数，获得了对铯原子D1线来说高达1306的光学厚度；结合暗磁光阱、偏振梯度冷却等技术，形成了二维磁光阱，使用探测光吸收谱测量得到的最大光学厚度为1000，在此系统上进行梯度回波存储，得到了存储效率约80％、相干时间为195us的实验结果；使用电磁感应透明和光减速测量二维磁光阱的光学厚度，最大光学厚度为62，在此系统中产生线宽为0.75MHz，时间长度在50-900ns之间可变的关联光子对；将冷原子装载到在中空光子晶体光纤形成的光偶极阱中，原子转移效率为2.5％，转移了2.5*10^5的冷原子，有效光学厚度达到1000。
技术实现思路
当前产生高光学厚度冷原子系统的技术，缺点很多，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种新的产生超大光学厚度冷原子系统。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种超大光学厚度的冷原子系统，所述冷原子系统包括：磁光阱和单光束光偶极阱。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，所述磁光阱系统为单腔磁光阱或多腔磁光阱，优选为单腔磁光阱。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，所述磁光阱系统采用压缩磁光阱技术提高冷原子团密度。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，所述磁光阱系统采用偏振梯度冷却技术降低冷原子团的温度。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，所述磁光阱系统中的原子选自以下一种或多种碱金属原子：锂，钠，钾，铷，铯；优选地，所述原子为铷87原子。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，所述磁光阱的冷却光和再泵浦光的光斑直径相同，所述光斑直径为10～50mm，优选为25.4mm。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，所述磁光阱系统中冷原子团温度为30～200uk，优选为30uk；所述磁光阱系统中冷原子团密度为1×1010～2.5×1011/cm2，优选为2.5×1011/cm2。根据本专利技术第一方面的冷原子系统，其中，其特征在于，所述单光束光偶极阱的光阱激光的功率为1～35W，优选为35W；光阱激光的光腰半径为1～60um，优选为40um。本专利技术的第二方面提供了一种冷原子实验设备，所述设备包括：根据第一方面所述的超大光学厚度的冷原子系统。根据本专利技术第二方面的冷原子实验设备，此设备适用于所有可用于激光冷却的原子及其同位素。为实现上述目的，本专利技术提供了一种将冷原子由磁光阱转移到单光束光偶极阱中，实现具有超大光学厚度的冷原子系统。所述冷原子系统包括：磁光阱和单光束光偶极阱。磁光阱：本专利技术人利用磁光阱俘获冷原子团，利用压缩磁光阱技术增加冷原子密度，利用偏振梯度冷却技术降低冷原子温度。单光束光偶极阱：打开光阱激光，形成单光束光偶极阱，使冷原子由磁光阱转移到光偶极阱中，经测量，在沿着光偶极阱轴向方向(光阱激光传播方向)具有超大的光学厚度。本专利技术的超大光学厚度的冷原子系统可以具有但不限于以下有益效果：1、本专利技术装置中本专利技术人采用光阱中的冷原子实现系统，冷原子的密度比传统磁光阱提高了一到两个数量级；本专利技术装置最重要的独创性在于本专利技术人采用了单光束光阱俘获原子，由于单光束光阱在光阱激光的传播方向可以提供厘米级别的有效势阱，则本装置能够实现的冷原子系统长度比传统光阱提高了一到两个数量级。综合以上两个优势，本装置实现了光学厚度高达3000的冷原子系统，处于国际领先水平，对于很多量子光学关键应用领域，是一个极为理想的物理系统。2、本专利技术装置相比于光子晶体光纤技术，实现容易；二维磁光阱技术俘获的冷原子团对背景环境磁场和激光波前的参数非常敏感，所以形状和位置都很不稳定，与之对比，本专利技术装置所用的激光光学质量好，俘获的冷原子团形状规则，位置稳定。3、本专利技术装置可以在不撤掉光偶极阱的情况下进行实验，此时原子团不膨胀，所以不存在由于膨胀导致的消相干效应，对应相干时间增加了3到4个数量级。4、和传统磁光阱冷原子系统相比，本装置系统的径向尺寸小了两个数量级，容许的光学模式非常少，提供了高效的空间滤波效应，能够大大提高量子信息处理的保真度以及非经典光源的亮度。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施方案，其中：图1示出了本专利技术的实施例中的磁光阱。图2示出了本专利技术的实施例中的单光束光偶极阱。附图标记说明：1、磁光阱俘获的冷原子团；2、六束冷却光；3、两束再泵浦光；4、梯度磁场线圈；5、光阱激光；6、单光束光偶极阱俘获的冷原子团具体实施方式下面通过具体的实施例进一步说明本专利技术，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本专利技术。本部分对本专利技术试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本专利技术目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本专利技术仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本专利技术所用材料和操作方法是本领域公知的。以下实施例中使用的试剂和仪器如下：试剂：铷，购自新疆有色金属研究所。仪器：单腔磁光阱系统，由购自美国Allenglass公司的定制尺寸超高真空石英玻璃腔、购自中科科仪公司的2L-25离子泵、自制梯度磁场线圈和自制补偿磁场线圈以及搭建的磁光阱光路组成；光纤激光器，购自深圳创鑫激光技术有限公司、型号MFSC-30。实施例1本实施例用于说明本专利技术的结构。该系统包括磁光阱，单光束光偶极阱。结合附图对本专利技术实施方式做详细描述。1)磁光阱：利用磁光阱(MOT，magneto-opticaltrap)俘获和冷却原子。磁光阱的六束冷却光(2)和两束再泵浦光(3)的光斑直径均为25.4mm，冷却光总功率为120mW，再泵浦光总功率为14mW，冷却光两两相互对射、沿着三个正交方向传播，再泵浦光相互对射、传播方向与对射的一对冷却光相同，冷却光对87Rb原子D2线基态F＝2到激发态F＝3的共振跃迁频率失谐为-17MHz，再泵浦光对87Rb原子D2线原子基态F＝1到激发态F＝2共振，梯度磁场线圈(4)提供的磁场梯度为10G/cm。本专利技术人俘获的磁光阱冷原子团(1)的温度约为200uk、密度约为1010/cm2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超大光学厚度的冷原子系统，其特征在于，所述冷原子系统包括：磁光阱和单光束光偶极阱。

【技术特征摘要】
1.一种超大光学厚度的冷原子系统，其特征在于，所述冷原子系统包括：磁光阱和单光束光偶极阱。2.根据权利要求1所述的冷原子系统，其特征在于，所述磁光阱系统为单腔磁光阱或多腔磁光阱，优选为单腔磁光阱。3.根据权利要求1或2所述的冷原子系统，所述磁光阱系统采用压缩磁光阱技术提高冷原子团密度。4.根据权利要求1至3中任一项所述的冷原子系统，其特征在于，所述磁光阱系统采用偏振梯度冷却技术降低冷原子团的温度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷原子系统，其特征在于，所述磁光阱系统中的原子选自以下一种或多种碱金属原子：锂，钠，钾，铷，铯；优选地，所述原子为铷87原子。6.根据权利要求1至5中任一项所述的冷原子系统，其特征在于，所述磁光阱的冷却光和再泵浦光的光斑直径...

【专利技术属性】
技术研发人员：白金海，李建军，左战春，王如泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11