一种平顶光束二维磁光阱制造技术

本发明专利技术涉及原子传感技术领域，具体涉及一种平顶光束二维磁光阱，用于解决现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处。该平顶光束二维磁光阱包括超高真空腔体、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，本发明专利技术在冷却囚禁激光光路系统中采用非球面光学元件，使冷却与囚禁激光束被整形为横截面为矩形的匀强激光束，且在光束横截面上光偏振态一致。且在光束横截面上光偏振态一致。且在光束横截面上光偏振态一致。

【技术实现步骤摘要】
一种平顶光束二维磁光阱


[0001]本专利技术涉及原子传感
，具体涉及一种平顶光束二维磁光阱。

技术介绍

[0002]在冷原子研究领域，制备出大数量、低温度的冷原子源是开展相关研究的前提。磁光阱(Magneto Optical Trap，MOT)是制备冷原子源的有效途径，磁光阱在装载原子过程中，如果背景真空度较高，则此时原子背景蒸汽压较小，初始装载速率慢，达到平衡状态的原子数也比较少，但由于其背景碰撞小，原子团寿命较长；如果背景真空度较低，则原子背景蒸汽压较大，此时装载速率快，达到平衡状态的原子数较多，但由于其过高的背景碰撞率，使其原子团寿命迅速变短。为了解决上述难题，研究者提出了采用三维磁光阱(3D
‑
MOT)和二维磁光阱(2D
‑
MOT)结合使用的方法实现大通量、长寿命的原子团。具体方式为采用低真空的二维磁光阱(通常≥10
‑6帕)对原子预冷却以获得高的冷原子数，然后预冷却的原子团通过连接两磁光阱的真空差分管道导入高真空的3D
‑
MOT(优于10
‑7帕)进一步冷却获得更长寿命的冷原子团。
[0003]二维磁光阱结构特点是由两对正交的激光束、两对矩形反亥姆霍兹线圈以及四面通光的真空仓组成。两对矩形反亥姆霍兹线圈通电后产生有一条零磁场线的二维的四极磁场，其中冷原子被囚禁在沿长对称轴的零磁场线周围，因此二维磁光阱中原子的冷却和囚禁仅在二维上发生，沿着原子可以自由移动的长对称轴不存在冷却和囚禁。为了增加二维磁光阱冷却原子束的通量，一般采取的途径是增加冷却区的长度，其中最常用的办法是通过增加棱镜数量并使之与半玻片配合分光，成为多级冷却，由于相邻棱镜之间需要放置半玻片所以形成了没有冷原子束产生的无效区域，使得二维磁光阱在轴线方向上的体积难以减小，难以小型化。此外增加冷却区的长度就会增加λ/2玻片、λ/4玻片、偏振分光棱镜的数量，造成安装与调节方面的困难，进而使得整个二维磁光阱对外部环境的振动和温度变化比较敏感，大大降低系统工作时的可靠性。
[0004]图1为现有二维磁光阱三级冷却系统结构的平面示意图，为方便起见图中只显示一个方向(z方向)的光学系统布置结构，另一方向(x方向)光学系统布置方式与之完全相同，产生的冷原子束沿y方向分布。该二维磁光阱三级冷却系统包括保偏光纤1、准直扩束器2、λ/2玻片3、偏振分光棱镜4、λ/2玻片5、偏振分光棱镜6、45度反射镜8、法兰管11、磁场线圈10、磁场线圈12、λ/4玻片9、λ/4玻片7、λ/4玻片20、λ/4玻片13、λ/4玻片15、λ/4玻片18、0度反射镜14、0度反射镜16、0度反射镜17和真空腔体19。从图1可以看到，该多级二维磁光阱结构复杂、光学元件多、冷原子束在轴向空间上被间断为三部分，每个冷却级之间存在较大的无效区域。
[0005]为了解决以上二维磁光阱多级冷却结构存在的问题，研究人员提出采用光学整形的办法即将冷却光束的光斑由圆形变为大纵横比的椭圆光斑(Appl.Phys.B(2012)109:61
–
64)，以增加冷却光斑的长度，这种方式有效的消除了多级冷却方式存在的元件过多、调节困难、级间存在无效区域的问题，由于光学元件数量显著减少，二维磁光阱的可靠性大大提
高。但与二维磁光阱多级冷却结构相同的是采用该方式后，在椭圆光斑的长轴和短轴方向的光强分布仍然均为高斯分布，因此产生的线状冷原子束两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处，而提供一种平顶光束二维磁光阱。
[0007]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0008]一种平顶光束二维磁光阱，包括超高真空腔体、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，其特殊之处在于：
[0009]所述超高真空腔体为六面体结构，其五个面上分别设置有第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口和第五光学窗口，所述第一光学窗口与第二光学窗口对称，所述第三光学窗口与第四光学窗口对称，所述第五光学窗口的对称面设置有真空法兰孔，用于与其它冷原子器件连接；
[0010]所述第一组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第一光学窗口、第二光学窗口外侧的第一反亥姆霍兹线圈和第二反亥姆霍兹线圈，所述第二组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第三光学窗口、第四光学窗口外侧的第三反亥姆霍兹线圈和第四反亥姆霍兹线圈；
[0011]所述冷却囚禁激光光路系统用于产生由第一光学窗口垂直入射的第一匀强激光束、由第二光学窗口垂直入射的第二匀强激光束、由第三光学窗口垂直入射的第三匀强激光束、由第四光学窗口垂直入射的第四匀强激光束，四束匀强激光束的光束横截面为矩形，且光束横截面上为光强分布均一的平行光束，四束匀强激光束的光斑尺寸及光强均相等；
[0012]所述第一匀强激光束光轴、第二匀强激光束光轴重合，所述第三匀强激光束光轴、第四匀强激光束光轴重合；第一匀强激光束光轴中心线、第三匀强激光束光轴中心线相交且垂直；
[0013]所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口的窗口玻璃的内外两面均镀有与所通过激光波长对应的增透膜。
[0014]进一步地，所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、激光准直扩束器、第一偏振分光棱镜，以及第一光路组件、第二光路组件、第一反射镜和第二反射镜；
[0015]所述光源的输出端通过光纤与激光准直扩束器的输入端连接；光源的出射光经过激光准直扩束器、第一偏振分光棱镜分为两束高斯激光束；
[0016]一束高斯激光束经过所述第一光路组件后形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口垂直入射，由第二光学窗口出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口垂直入射；
[0017]另一束高斯激光束经过所述第二光路组件后形成第三匀强激光束，第三匀强激光束由第三光学窗口垂直入射，由第四光学窗口出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口垂直入射。
[0018]进一步地，所述第一光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的λ/2玻片、第一光
束整形透镜组、45度反射镜；所述第二光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的第二偏振分光棱镜、第一λ/4玻片、第二光束整形透镜组。
[0019]进一步地，所述第一光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜；所述第二光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第三自由曲面透镜和第四自由曲面透镜；所述第一光束整形透镜组、第二光束整形透镜组用于将截面光强分布为高斯型的高斯激光束整形为光束截面上光强分布均一的匀强激光束。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平顶光束二维磁光阱，包括超高真空腔体(400)、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，其特征在于：所述超高真空腔体(400)为六面体结构，其五个面上分别设置有第一光学窗口(401)、第二光学窗口(402)、第三光学窗口(403)、第四光学窗口(404)和第五光学窗口(405)，所述第一光学窗口(401)与第二光学窗口(402)对称，所述第三光学窗口(403)与第四光学窗口(404)对称，所述第五光学窗口(405)的对称面设置有真空法兰孔，用于与其它冷原子器件连接；所述第一组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第一光学窗口(401)、第二光学窗口(402)外侧的第一反亥姆霍兹线圈(406)和第二反亥姆霍兹线圈(407)，所述第二组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第三光学窗口(403)、第四光学窗口(404)外侧的第三反亥姆霍兹线圈(408)和第四反亥姆霍兹线圈(409)；所述冷却囚禁激光光路系统用于产生由第一光学窗口(401)垂直入射的第一匀强激光束、由第二光学窗口(402)垂直入射的第二匀强激光束、由第三光学窗口(403)垂直入射的第三匀强激光束、由第四光学窗口(404)垂直入射的第四匀强激光束，四束匀强激光束的光束横截面为矩形，且光束横截面上为光强分布均一的平行光束，四束匀强激光束的光斑尺寸及光强均相等；所述第一匀强激光束光轴、第二匀强激光束光轴重合，所述第三匀强激光束光轴、第四匀强激光束光轴重合；第一匀强激光束光轴中心线、第三匀强激光束光轴中心线相交且垂直；所述第一光学窗口(401)、第二光学窗口(402)、第三光学窗口(403)、第四光学窗口(404)的窗口玻璃的内外两面均镀有与所通过激光波长对应的增透膜。2.根据权利要求1所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、激光准直扩束器(100)、第一偏振分光棱镜(200)，以及第一光路组件、第二光路组件、第一反射镜和第二反射镜；所述光源的输出端通过光纤(101)与激光准直扩束器(100)的输入端连接；光源的出射光经过激光准直扩束器(100)、第一偏振分光棱镜(200)分为两束高斯激光束；一束高斯激光束经过所述第一光路组件后形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口(401)垂直入射，由第二光学窗口(402)出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口(402)垂直入射；另一束高斯激光束经过所述第二光路组件后形成第三匀强激光束，第三匀强激光束由第三光学窗口(403)垂直入射，由第四光学窗口(404)出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口(404)垂直入射。3.根据权利要求2所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第一光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的λ/2玻片(201)、第一光束整形透镜组、45度反射镜(204)；所述第二光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的第二偏振分光棱镜(300)、第一λ/4玻片(301)、第二光束整形透镜组。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾森，王先华，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：