一种基于冷原子产生暗磁光阱的系统及方法与流程

1.本发明涉及冷原子技术领域，具体涉及一种基于冷原子产生暗磁光阱的系统及方法。


背景技术：

2.磁光阱的思想提出不久，raab等人在1987年首次实现磁光阱，磁光阱通过利用光场和磁场相结合的方式实现原子的减速、冷却和囚禁。磁光阱由于其实验系统结构简单、操作过程简便、成本低廉而广泛存在于各个冷原子实验室中。传统的磁光阱是由三对相互垂直圆偏振方向相反且相向传播的冷却光、回泵光以及一对反亥姆霍兹线圈组成。在磁光阱中，用于冷却和俘获原子的光称为冷却光。而用来抑制原子从循环跃迁能级中逃逸的光称为回泵光。
3.磁光阱中冷原子的密度主要受辐射陷俘效应限制，它的物理图像是当阱中冷原子的密度较大时，其中一个陷俘原子吸收光子后，自发辐射产生的光子会被另一个原子所吸收，发射原子会受到与光子方向相反的力，而吸收原子会受到与光子方向相同的力，这两个力方向相反，对于这一对原子而言是一对排斥力，它会使原子团扩张，从而限制阱中原子密度的提高。为了提高原子团密度，ketterle等人发明了暗磁光阱技术，它的核心是把阱中心的陷俘原子抽运到不吸收光的暗态上，因为暗态上的原子不发光，就没有“辐射陷俘”。暗磁光阱可分为“空间暗磁光阱”和“时间暗磁光阱”两种。空间暗磁光阱是在常规磁光阱的基础上让回泵光通过中心有暗点的玻璃片从而形成中空光束，使阱中心的光没有反抽运光成分，这样阱中心的绝大多数原子处于暗态。而周边的原子就会受到反抽运光的作用处于发射荧光的亮态，在陷俘和冷却光的作用下向中心移动，并且转变为暗态。这样就提高原子团密度。时间暗磁光阱是利用时序来的控制，在冷却完原子之后动态地增大冷却光的失谐同时降低回泵光的功率，这样就可增加暗态上的原子布居数并减弱了冷却光对残留在亮态上的原子的作用，从而提升原子数密度。但是一方面暗磁光阱很容易受到散射光的影响，另一方面为了消除菲涅尔衍射，光束中心的暗斑需要通过透镜变换投影到原子处，这样才能提高原子数密度，但操作起来复杂。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于冷原子产生暗磁光阱的系统及方法，能提高原子团密度，具有结构简单、操作方便、可行性强等优点。
5.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
6.一方面，本发明提供一种基于冷原子产生暗磁光阱的系统，包括：
7.玻璃真空腔，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团；
8.反亥姆霍兹线圈组件，用于产生磁光阱的磁场，磁光阱的磁场用于原子的囚禁；其包括z轴上的一对反亥姆霍兹线圈，分别为第一反亥姆霍兹线圈和第二反亥姆霍兹线圈，第一反亥姆霍兹线圈设置于玻璃真空腔上方，第二反亥姆霍兹线圈设置于玻璃真空腔下方；z
轴正负方向的反亥姆霍兹线圈通有相反的电流，反亥姆霍兹线圈组件的中心点的磁场大小为零，向四周磁场大小会增加；
9.激光器组件，用于产生冷却光、回泵光以及两束光位移光，两束光位移光分别为第一光位移光和第二光位移光；将冷却光和回泵光进行合束，再将冷却光和回泵光合束后的光分成六束合束光，分别为第一合束光、第二合束光、第三合束光、第四合束光、第五合束光和第六合束光，将六束合束光和两束光位移光照射至玻璃真空腔内的冷原子团上，第一合束光和第四合束光在一条直线上，第二合束光和第五合束光在一条直线上，第三合束光和第六合束光在一条直线上；三对相反圆偏振相向传播的冷却光，形成两两相互垂直的光束结构，形成光学粘团，对原子起到冷却、陷俘的作用。
10.进一步地，所述激光器组件包括产生光位移光的激光器单元、产生回泵光的激光器单元以及产生冷却光的激光器单元；
11.所述产生光位移光的激光器单元包括沿光路依次设置的第一激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、第二凸透镜、第一声光调制器、第三凸透镜、第四凸透镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜和第五凸透镜；还包括依次设置在所述第二偏振分光棱镜s偏光光路上的第三反射镜和第六凸透镜；第一凸透镜设置于第一偏振分光棱镜p偏光的光路上；第五凸透镜出射第一光位移光，第六凸透镜出射第二光位移光；
12.所述产生回泵光的激光器单元包括沿光路依次设置的第二激光器、第三半波片、第三偏振分光棱镜、第四半波片、第四偏振分光棱镜、第七凸透镜、第八凸透镜、第四反射镜、第五反射镜、第二声光调制器、第九凸透镜、第十凸透镜、第十一凸透镜、第六反射镜和第七反射镜；还包括设置在所述第二声光调制器另一光路的第一挡光板；第四半波片设置于第三偏振分光棱镜p偏光的光路上，第七凸透镜设置于第四偏振分光棱镜p偏光的光路上；第七反射镜出射回泵光；
13.所述产生冷却光的激光器单元包括沿光路依次设置的第三激光器、第五半波片、第五偏振分光棱镜、第六半波片、第六偏振分光棱镜、第十二凸透镜、第十三凸透镜、第八反射镜、第九反射镜、第三声光调制器、第八半波片、第十四凸透镜和第十反射镜；还包括依次设置于第六偏振分光棱镜s偏光光路上的第七半波片和第七偏振分光棱镜；还包括设置于第十四凸透镜另一光路的第二挡光板，第六半波片设置于第五偏振分光棱镜p偏光的光路上；第七偏振分光棱镜s偏光为出射的冷却光。
14.进一步地，利用偏振分束器和二分之一波片将冷却光和回泵光合束后的光分成六束合束光。
15.进一步地，所述激光器组件产生的冷却光波长为780nm，回泵光波长为780nm，产生暗磁光阱效果的两束光位移光波长为1064nm。
16.进一步地，所述冷原子为铷87冷原子。
17.另一方面，本发明提供一种基于冷原子产生暗磁光阱的方法，应用于所述基于冷原子产生暗磁光阱的系统，该方法包括：
18.首先打开反亥姆霍兹线圈组件、冷却光和回泵光，让它们处于工作状态，这时就形成了磁光阱；n ms之后，由于压缩磁光阱需要光的配合，调节冷却光的光强和失谐以及反亥姆霍兹线圈组件，同时打开两束光位移光，将两束光位移光作用于冷原子团上，使得冷原子
的基态能级f＝1和激发态能级f
′
＝2发生光位移，使回泵光与能级之间发生失谐，产生了暗磁光阱的效果，能提高原子数密度。
19.进一步地，所述基于冷原子产生暗磁光阱的方法还包括：
20.计算在没有光位移光作用下冷却光的跃迁概率β
c
、在没有光位移光作用下回泵光的跃迁概率β
re
、存在光位移光作用下冷却光的跃迁概率β
c
′
以及存在光位移光作用下回泵光的跃迁概率β
re
′
；
21.计算冷原子在没有光位移光作用跃迁概率比以及冷原子存在光位移光作用下跃迁概率比
22.假定光位移光引入的光位移可调，b1/b比值最大时，产生暗磁光阱的效果最好。
23.进一步地，计算冷原子在没有光位移光作用跃迁概率比以及冷原子存在光位移光作用下跃迁概率比具体如下：
24.跃迁概率：
[0025][0026]
其中：τ＝6
×
106hz为激发态线宽，δ是失谐量，ω是拉比频率；
[0027]
由于光位移光的存在，使得冷原子的基态能级和激发态能级产生ac—stark效应，冷却光失谐变小，回泵光失谐变大：
[0028]
δ
′
c
＝δ
c
‑
ηδ
ac
，δ
′
re
＝δ
re
‑
δ
ac
，
[0029]
δ
′
c
为加入光位移光后冷却光的失谐量，δ
c
为没有加入光位移光冷却光的失谐量，冷却光的失谐δ
c
＝18mhz，δ
′
re
为加入光位移光后回泵光的失谐量，δ
re
为没有加入光位移光回泵光的失谐量，回泵光的失谐δ
re
＝0，δ
ac
为光位移光引起的光位移的大小，η为系数；
[0030]
冷原子在没有光位移光作用和存在光位移光作用下跃迁概率比：
[0031][0032]
其中，β
c
为在没有光位移光作用下冷却光的跃迁概率，β
re
为在没有光位移光作用下回泵光的跃迁概率，β
c
′
为存在光位移光作用下冷却光的跃迁概率，β
re
′
为存在光位移光作用下回泵光的跃迁概率，ω
c
＝14.5778
×
106hz，ω
re
＝6.199
×
106hz。
[0033]
进一步地，n＝200ms。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0035]
1、通过红失谐光场形成光位移，降低回泵光抽运效果，提高冷却光抽运效果，对杂散光不敏感，不减弱装载率。
[0036]
2、可根据不同的操作时间，不同的激发态寿命设计不同失谐量达到最优效果。
[0037]
3、可推广到二维磁光阱、三维磁光阱，并与光阱配合使用。
[0038]
4、不仅适用于提高铷原子数密度，也适用于提高其他碱金属原子团密度。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明产生暗磁光阱的示意图；
[0041]
图2为本发明部分光路示意图；
[0042]
图3为本发明实验时序图；
[0043]
图4为本发明产生暗磁光阱方法的铷87原子超精细能及结构示意图；
[0044]
图5为本发明产生暗磁光阱的能移结构示意图；
[0045]
图6为跃迁概率比b1/b随光位移变化图。
[0046]
附图标记说明：
[0047]
1—第一合束光，2—第一反亥姆霍兹线圈，3—第二合束光，4—第三合束光，5—第一光位移光，6—第四合束光，7—第二反亥姆霍兹线圈，8—第二光位移光，9—第五合束光，10—玻璃真空腔，11—第六合束光，12—第一激光器，13—第一半波片，14—第一偏振分光棱镜，15—第一凸透镜，16—第一反射镜，17—第二反射镜，18—第二凸透镜，19—第一声光调制器，20—第三凸透镜，21—第四凸透镜，22—第二半波片，23—第二偏振分光棱镜，24—第三反射镜，25—第五凸透镜，26—第六凸透镜，27—第二激光器，28—第三半波片，29—第三偏振分光棱镜，30—第四半波片，31—第四偏振分光棱镜，32—第七凸透镜，33—第八凸透镜，34—第四反射镜，35—第五反射镜，36—第二声光调制器，37—第一挡光板，38—第九凸透镜，39—第十凸透镜，40—第十一凸透镜，41—第六反射镜，42—第七反射镜，43—第三激光器，44—第五半波片，45—第五偏振分光棱镜，46—第六半波片，47—第六偏振分光棱镜，48—第七半波片，49—第七偏振分光棱镜，50—第十二凸透镜，51—第十三凸透镜，52—第八反射镜，53—第九反射镜，54—第三声光调制器，55—第八半波片，56—第十四凸透镜，57—第二挡光板，58—第十反射镜，59—冷却光，60—回泵光。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示，本发明提供一种基于冷原子产生暗磁光阱的系统，所述冷原子为铷87冷原子，包括玻璃真空腔10、反亥姆霍兹线圈组件以及激光器组件。
[0051]
所述玻璃真空腔10用于冷却囚禁原子以产生冷原子团。
[0052]
所述反亥姆霍兹线圈组件用于产生磁光阱的磁场，磁光阱的磁场用于原子的囚禁；其包括z轴上的一对反亥姆霍兹线圈，分别为第一反亥姆霍兹线圈2和第二反亥姆霍兹线圈7，第一反亥姆霍兹线圈2设置于玻璃真空腔10上方，第二反亥姆霍兹线圈7设置于玻璃真空腔10下方；z轴正负方向的反亥姆霍兹线圈通有相反的电流，反亥姆霍兹线圈组件的中心点的磁场大小为零，向四周磁场大小会增加。
[0053]
所述激光器组件用于产生冷却光、回泵光以及两束光位移光，两束光位移光分别为第一光位移光5和第二光位移光8；将冷却光和回泵光进行合束，再利用偏振分束器和二分之一波片将冷却光和回泵光合束后的光分成六束合束光，分别为第一合束光1、第二合束光3、第三合束光4、第四合束光6、第五合束光9和第六合束光11，将六束合束光和两束光位移光照射至玻璃真空腔10内的冷原子团上，第一合束光1和第四合束光6在一条直线上，第二合束光3和第五合束光9在一条直线上，第三合束光4和第六合束光11在一条直线上；三对相反圆偏振相向传播的冷却光，形成两两相互垂直的光束结构，形成光学粘团，对原子起到冷却、陷俘的作用。
[0054]
如图2所示，所述激光器组件包括产生光位移光的激光器单元、产生回泵光的激光器单元以及产生冷却光的激光器单元。
[0055]
所述产生光位移光的激光器单元包括沿光路依次设置的第一激光器12、第一半波片13、第一偏振分光棱镜14、第一凸透镜15、第一反射镜16、第二反射镜17、第二凸透镜18、第一声光调制器19、第三凸透镜20、第四凸透镜21、第二半波片22、第二偏振分光棱镜23和第五凸透镜25；还包括依次设置在所述第二偏振分光棱镜23s偏光光路上的第三反射镜24和第六凸透镜26；第一凸透镜15设置于第一偏振分光棱镜14p偏光的光路上；第五凸透镜25出射第一光位移光5，第六凸透镜26出射第二光位移光8。
[0056]
所述产生回泵光的激光器单元包括沿光路依次设置的第二激光器27、第三半波片28、第三偏振分光棱镜29、第四半波片30、第四偏振分光棱镜31、第七凸透镜32、第八凸透镜33、第四反射镜34、第五反射镜35、第二声光调制器36、第九凸透镜38、第十凸透镜39、第十一凸透镜40、第六反射镜41和第七反射镜42；还包括设置在所述第二声光调制器36另一光路的第一挡光板37；第四半波片30设置于第三偏振分光棱镜29p偏光的光路上，第七凸透镜32设置于第四偏振分光棱镜31p偏光的光路上；第七反射镜42出射回泵光60。
[0057]
所述产生冷却光的激光器单元包括沿光路依次设置的第三激光器43、第五半波片44、第五偏振分光棱镜45、第六半波片46、第六偏振分光棱镜47、第十二凸透镜50、第十三凸透镜51、第八反射镜52、第九反射镜53、第三声光调制器54、第八半波片55、第十四凸透镜56和第十反射镜58；还包括依次设置于第六偏振分光棱镜47s偏光光路上的第七半波片48和第七偏振分光棱镜49；还包括设置于第十四凸透镜56另一光路的第二挡光板57，第六半波片46设置于第五偏振分光棱镜45p偏光的光路上；第七偏振分光棱镜49s偏光为出射的冷却光59。
[0058]
具体地，所述激光器组件产生的冷却光波长为780nm，回泵光波长为780nm，产生暗磁光阱效果的两束光位移光波长为1064nm。
[0059]
实施例2
[0060]
如图3
‑
5所示，本发明提供一种基于冷原子产生暗磁光阱的方法，应用于所述基于冷原子产生暗磁光阱的系统，所述冷原子为铷87冷原子，该方法包括：
[0061]
在实验上利用时序控制实验系统，首先打开反亥姆霍兹线圈组件、冷却光和回泵光，让它们处于工作状态，这时就形成了磁光阱。200ms之后，因为压缩磁光阱需要光的配合，调节冷却光的光强和失谐以及反亥姆霍兹线圈组件，同时打开光位移光，确定两束光位移光的功率都为15w，将两束光位移光作用于原子团上，使得铷87原子的基态能级f＝1和激发态能级f
′
＝2发生光位移，使回泵光与能级之间发生失谐：
[0062][0063][0064][0065][0066][0067][0068]
跃迁概率：
[0069][0070]
其中：τ＝6
×
106hz为激发态线宽，δ是失谐量，ω是拉比频率。
[0071]
由于光阱光的存在，使得铷87原子的基态能级和激发态能级产生ac—stark效应，冷却光失谐变小，回泵光失谐变大：
[0072]
δ
′
c
＝δ
c
‑
ηδ
ac
，δ
′
re
＝δ
re
‑
δ
ac
，
[0073]
δ
′
c
为加入光位移光后，冷却光的失谐量，δ
c
为没有加入光位移光，冷却光的失谐量，冷却光的失谐δ
c
＝18mhz，δ
′
re
为加入光位移光后，回泵光的失谐量，δ
re
为没有加入光位移光，回泵光的失谐量，回泵光的失谐δ
re
＝0，δ
ac
为光位移光引起的光位移的大小，η为系数。
[0074]
原子在没有光位移光作用和存在光位移光作用下跃迁概率比：
[0075]
[0076][0077][0078]
其中，β
c
为在没有光位移光作用下冷却光的跃迁概率，β
re
为在没有光位移光作用下回泵光的跃迁概率，β
c
′
为存在光位移光作用下冷却光的跃迁概率，β
re
′
为存在光位移光作用下回泵光的跃迁概率，冷却光的功率为180mw,束腰半径为1cm，ω
c
＝14.5778
×
106hz，激发态线宽τ为6mhz,回泵光的功率为18mw,束腰半径为1cm，ω
re
＝6.199
×
106hz。这种方法使的比值提升到8倍，产生了暗磁光阱的效果，能提高原子数密度。
[0079]
再过200ms后，此时完成了磁光阱的压缩，关掉反亥姆霍兹线圈组件和光位移光。
[0080]
如果引入的光位移为14mhz，假定光位移光的半径为0.2mm，光位移光失谐100ghz，则需要光强为：
[0081][0082][0083][0084]
p＝iπr2＝0.9483w
[0085]
这时光位移光的功率为0.9483w。
[0086]
假定光位移光引入的光位移可调，由图6可知，当光位移为14mhz左右时，b1/b比值最大。说明这种方法的确产生了暗磁光阱的效果，降低回泵光抽运效果，提高冷却光抽运效果，进而提高原子团密度。
[0087]
综上所述，本发明通过红失谐光场形成光位移，降低回泵光抽运效果，提高冷却光抽运效果，对杂散光不敏感，不减弱装载率。可根据不同的操作时间，不同的激发态寿命设计不同失谐量达到最优效果。可推广到二维磁光阱、三维磁光阱，并与光阱配合使用。不仅适用于提高铷原子数密度，也适用于提高其他碱金属原子团密度。
[0088]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。