一种选定区域内冷原子温度的测量方法技术

一种测量选定区域内冷原子温度的方法，该方法包括原子标记、原子扩散、原子温度计算三个步骤，本质上是通过改变原子的内部状态来标记原子，然后检测标记的冷原子的扩散过程。本发明专利技术包括无损和有损两种方式，无损是引入了偏振自由度，避免探测时改变原子的内部状态，实现了对原子近似无损的探测。该方法具有适用于超冷原子、连续测量、实时测量、操作简单、只对所需要的原子区域进行测量等优点。

A method for measuring the temperature of cold atoms in a selected region

【技术实现步骤摘要】
一种选定区域内冷原子温度的测量方法
本专利技术涉及冷原子温度的测量，特别是一种选定区域内冷原子温度的测量方法。
技术介绍
随着原子的激光冷却与陷俘技术的快速发展，冷原子温度的准确测量已成为一项重要的研究课题。在原子冷却中，冷原子温度与原子和原子之间的碰撞引起的频移、原子的损失、原子的横向移动距离密切相关，所以冷原子的温度是冷原子物理中一个重要参数。目前对冷原子温度的测量主要采用的是飞行时间(TOF)测量法,其原理是原子在突然停止冷却或俘获的作用后，在重力作用下自由膨胀，利用一个弱的扁平的探测光的TOF成像和吸收来测量冷原子的温度。这种测量方法的缺点是：需要一个额外的下落距离和探测窗口，不利于整个系统的集成化；探测光束离冷原子团有一定的距离，探测光的信噪比低，并且不能实时测量；原子在下落的过程中会增加噪声，如原子扩散等；这是一种破坏性的测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出了一种测量选定区域内冷原子温度的方法，分为有损和无损两种方式，并且能对原子进行无损探测，具有操作简单、破坏性小、可连续测量、可适用于超冷原子等特点。本专利技术的技术解决方案如下：一种测量选定区域内冷原子温度的方法。采用激光包括：冷却光、第一再抽运光、抽运光、第二再抽运光和探测光，所述的冷却光和第一再抽运光用于冷却原子，所述的抽运光用于改变系统内所有原子的能级状态，所述的第二再抽运光用于标记选定区域内的冷原子，探测光用于检测选定区域内的冷原子数，其特征在于，所述方法包括如下步骤：①原子标记：利用冷却光和第一再抽运光对原子进行冷却；开启抽运光脉冲使整个物理系统的原子处于探测光探测不到的能级上，然后开启第二再抽运光，使其照射区域内的原子处于探测光可以探测的能级上，完成对选定区域内的冷原子的标记。如果是无损的方法，在原子标记阶段引入偏振自由度，使探测光对原子进行探测时，原子只进行循环跃迁，标记的原子的状态不会改变，实现无损探测。②原子扩散：利用光电管接收探测光的光强变化I0/I，计算探测区域内的原子数s2，公式如下：式中，s2为探测区域内的原子数，I0为入射光强，I为出射光强，σ为原子的光吸收截面(即一个光子通过单位面积的物质时与其中一个原子作用的概率)，zd为探测光传播方向原子的尺寸。标记的原子随时间进行扩散，利用不同延迟时间的探测光脉冲进行扫描，获得探测区域内的原子数随时间的变化关系。③原子温度计算：标记的原子会随时间进行扩散，且速度分布符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。假设探测区域内的原子的速度分布是相同，且忽略重力的影响(测量时间短)。由于实验系统的几何结构，对z轴方向可以忽略，只考虑原子横截平面的二维分布，假设标记的原子最开始是集中在一条直线上，然后随时间进行扩散。探测光区域(圆形)内的原子数可以表示为：式中，rc为探测光的半径，f2为原子的速度分布(二维的麦克斯韦-玻尔兹曼分布)，m为原子质量，t为原子的扩散时间，kB为玻耳兹曼常数,T为原子的二维温度。根据探测光区域内的原子数随时间的变化关系，拟合得到探测区域内原子的二维温度，二维温度T乘以可以得到原子的三维温度。本专利技术具有以下优点：1、本专利技术不需要增加额外的探测窗口，结构简单、易实现；2、只对选定区域内的原子进行温度测量；3、引入偏振自由度，实现了原子无损探测。附图说明图1是本专利技术实现近似于无损探测的冷原子温度测量的实施例示意图；图2是87Rb原子能级结构示意图；图3是87Rb原子超精细结构和相关偏振自由度的无损变化形式示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术实施例中使用空心光束注入到柱形积分球内，在积分球内产生漫反射光来冷却87Rb原子，利用吸收成像法探测冷原子数，温度测量采用的是无损方式。图1是本专利技术实现近似于无损探测的冷原子温度测量的实施例示意图，测试系统由冷却光1-1、抽运光1-2、第一再抽运光1-3、探测光3和第二再抽运光2组成。所述的冷却光1-1、抽运光1-2和第一再抽运光1-3重合后通过一对圆锥棱镜形成空心光束注入到积分球5内，在积分球5内形成漫反射光场来冷却原子。本领域技术人员均知道，可以采用其他冷却和俘获原子的方式。所述的探测光3和第二再抽运光2是右旋的圆偏振光，沿积分球的轴线传播到光电管6上，通过光电管6接收信号。再抽运光2的光斑尺寸要尽可能小。图2是87Rb原子能级结构示意图。所述的冷却光1-1对应的跃迁是|52S1/2,F＝2＞→|52P3/2,F′＝3＞的红失谐，第一再抽运光1-3和第二再抽运光2对应的跃迁是|52S1/2,F＝1＞→|52P3/2,F′＝2＞，所述的探测光3对应的跃迁是|52S1/2,F＝2＞→|52P3/2,F′＝3＞，所述的抽运光1-2对应的跃迁是|52S1/2,F＝2＞→|52P3/2,F′＝2＞。图3是87Rb原子的超精细结构和相关偏振自由度的无损变化形式。考虑87Rb原子的超精细结构，所述的探测光3存在|F＝2,mF＝-2＞→|F′＝3,mF＝-1＞、|F＝2,mF＝-1＞→|F′＝3,mF＝0＞、|F＝2,mF＝0＞→|F′＝3,mF＝1＞、|F＝2,mF＝1＞→|F′＝3,mF＝2＞和|F＝2,mF＝2＞→|F′＝3,mF＝3＞五种跃迁，所述的第二再抽运光2存在|F＝1,mF＝-1＞→|F′＝2,mF＝0＞、|F＝1,mF＝0＞→|F′＝2,mF＝1＞和|F＝1,mF＝1＞→|F′＝2,mF＝2＞三种跃迁。最后所有的原子都处于|F＝2,mF＝2＞上，用连续的探测光脉冲对标记的原子进行探测时，标记的原子进行的是一个|F＝2,mF＝2＞→|F′＝3,mF＝3＞循环跃迁的过程。本专利技术近似于无损探测的冷原子温度测量方法包括下列步骤：①原子标记：利用冷却光1-1和第一再抽运光1-3对87Rb原子进行冷却，开启抽运光1-2脉冲使整个积分球内的原子处于|52S1/2,F＝1＞能级上，然后开启再抽运光2和探测光3脉冲，使轴向的原子处于|52S1/2,F＝2,mF＝2＞能级上，其他原子仍然处于|52S1/2,F＝1＞能级上，完成了对轴向原子的标记。②原子扩散：利用光电管接收探测光的光强变化I0/I，计算探测区域内的原子数s2，公式如下：式中，s2为探测区域内的原子数，I0为入射光强，I为出射光强，σ为原子的光吸收截面(即一个光子通过单位面积的物质时与其中一个原子作用的概率)，zd为探测光传播方向原子的尺寸。标记的原子随时间进行扩散，利用不同延迟时间的探测光脉冲进行扫描，获得探测光区域内的原子数随时间的变化关系。由于采用了圆偏振的探测光，用连续的探测光脉冲探测时，标记的原子进行的是一个|F＝2,mF＝2＞→|F′＝3,mF＝3＞循环跃迁的过程，原子的状态几乎保持不变。③原子温度计算：标记的原子会随时间进行扩散，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选定区域内冷原子的温度测量方法，采用激光包括：冷却光、第一再抽运光、抽运光、第二再抽运光和探测光，所述的冷却光和第一再抽运光用于冷却原子，所述的抽运光用于改变系统内所有原子的能级状态，所述的第二再抽运光用于标记选定区域内的冷原子，探测光用于检测选定区域内的冷原子数，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n①原子标记：/n利用冷却光和第一再抽运光对原子进行冷却；/n开启抽运光脉冲使整个物理系统的原子处于探测光探测不到的能级上，然后开启第二再抽运光，使其照射区域内的原子处于探测光可以探测的能级上，完成对选定区域内的冷原子的标记。/n②原子扩散：/n利用光电管接收探测光的光强变化I

【技术特征摘要】
1.一种选定区域内冷原子的温度测量方法，采用激光包括：冷却光、第一再抽运光、抽运光、第二再抽运光和探测光，所述的冷却光和第一再抽运光用于冷却原子，所述的抽运光用于改变系统内所有原子的能级状态，所述的第二再抽运光用于标记选定区域内的冷原子，探测光用于检测选定区域内的冷原子数，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
①原子标记：
利用冷却光和第一再抽运光对原子进行冷却；
开启抽运光脉冲使整个物理系统的原子处于探测光探测不到的能级上，然后开启第二再抽运光，使其照射区域内的原子处于探测光可以探测的能级上，完成对选定区域内的冷原子的标记。
②原子扩散：
利用光电管接收探测光的光强变化I0/I，计算探测区域内的原子数s2，公式如下：



式中，I0为入射光强，I为出射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫，孙远，孟艳玲，万金银，成华东，刘亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31