下落式冷原子装置及其工作方法与流程

1.本发明涉及量子精密测量技术领域，尤其是涉及一种下落式冷原子装置及其工作方法。


背景技术：

2.运用激光冷却技术可得到接近于静止的、原子之间几乎没有相互作用的原子样品，其已经广泛的应用在量子频标和精密测量等领域，如原子干涉仪、原子钟和重力仪等方面，并在国防军事、全球定位和即时通讯等方面发挥了重要的作用。
3.磁光阱是获得冷原子常用的方式，传统磁光阱通过三对正交对射的圆偏振激光，并配合一对反亥姆霍兹线圈，在激光的交汇处实现对原子的冷却。
4.但是，传统六束激光的磁光阱体积较大，需要使用六个四分之一波片、三个反射镜和三个激光准直头，另外，一类基于原子物理空间移动的量子标准与精密测量系统，如原子干涉仪、喷泉钟等，它们不仅需要通过磁光阱完成对热原子的冷却，还需操控原子在物理空间上移动，所以这类系统的结构更为复杂、体积更为庞大，不能满足现在对装置小型化的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种下落式冷原子装置及其工作方法，以缓解了现有技术中存在的磁光阱结构复杂，体积较大，无法满足装置小型化的要求的技术问题。
6.第一方面，本发明提供的下落式冷原子装置，包括光栅磁光阱和真空组件；
7.所述光栅磁光阱包括光栅芯片、分别设于所述光栅芯片进光侧和背光侧的一对反亥姆霍兹线圈、设于背光侧的所述反亥姆霍兹线圈远离所述光栅芯片一侧的四分之一波片、设于所述四分之一波片远离所述光栅芯片一侧的冷却光反光镜、以及射向所述冷却光反光镜的冷却光扩束和冷却光光纤；
8.所述真空组件设于背光侧的所述反亥姆霍兹线圈与所述光栅芯片之间，所述真空组件包括真空导管和真空腔室，所述真空导管上设置有吸气剂。
9.在可选的实施方式中，
10.所述下落式冷原子装置还包括原子作用组件；
11.所述原子作用组件包括射向所述真空腔室内的共振光扩束和共振光光纤、设于所述真空腔室远离所述共振光扩束一侧的图像传感器、设于所述真空腔室上侧面的驻光波第一反光镜、射向所述驻光波第一反光镜的驻光波扩束和驻光波光纤以及设于所述真空腔室下侧面的驻光波第二反光镜。
12.在可选的实施方式中，
13.所述下落式冷原子装置还包括探测组件；
14.所述探测组件位于所述真空腔室的一侧，且所述探测组件与所述光栅磁光阱位于同一侧，所述探测组件包括射向所述真空腔室的探测光扩束和探测光光纤，所述探测组件
还包括设于所述真空腔室远离所述真空导管一侧的荧光探测器和设于与四分之一波片同一侧的探测光反光镜。
15.在可选的实施方式中，
16.所述下落式冷原子装置还包括原子源；
17.所述原子源设于所述真空腔室远离所述真空导管的一侧。
18.在可选的实施方式中，
19.所述下落式冷原子装置还包括磁屏蔽组件；
20.所述磁屏蔽组件包括罩设于所述反亥姆霍兹线圈外围的第一磁屏蔽筒和第二磁屏蔽筒以及罩设于所述原子源的第三磁屏蔽筒。
21.在可选的实施方式中，
22.所述第一磁屏蔽筒、所述第二磁屏蔽筒和所述第三磁屏蔽筒的上下侧面均含有圆柱型且可拆卸连接的端盖，所述第一磁屏蔽筒和所述第二磁屏蔽筒的侧面设有激光馈入、馈出、以及观察窗口的通光孔；
23.所述第一磁屏蔽筒内设有一对亥姆霍兹线圈，且一对所述亥姆霍兹线圈分别位于所述真空腔室的上下侧面，所述亥姆霍兹线圈由螺线管线圈制成，产生均匀磁场。
24.在可选的实施方式中，
25.所述光栅芯片设置为硅基镀金，所述光栅芯片上刻有衍射凹槽；
26.所述真空腔室设置为钛金属材料，所述真空腔室的通光口与观测窗口均设置有蓝宝石玻璃；
27.所述蓝宝石玻璃为材料的窗口均增涂增透膜；
28.所述真空腔室的真空度维持在10-7
pa～10-9
pa；
29.所述反亥姆霍兹线圈为圆柱型线圈，可为原子冷却提供所需梯度磁场；
30.所述冷却光光纤输出的冷却光设置为泵浦光和再泵浦光。
31.在可选的实施方式中，
32.所述驻光波为所述下落式冷原子装置应用于原子干涉仪时完成原子选态和相互作用过程的相向光。
33.在可选的实施方式中，
34.所述图像传感器为电荷耦合器件相机，用于对原子团实时监视和配合共振光完成对原子数的检测。
35.第二方面，本发明提供的基于下落式冷原子装置的工作方法，包括以下步骤：
36.打开冷却光和反亥姆霍兹线圈，冷却光垂直照射光栅芯片，经光栅芯片衍射后的衍射光与入射光汇聚，在汇聚处俘获并冷却原子源注入的原子；
37.通过控制冷却光参数完成原子的亚多普勒冷却；
38.亚多普勒冷却后，关闭冷却光与反亥姆霍兹线圈，打开亥姆霍兹线圈、共振光、驻光波完成与冷原子的作用；
39.激光与冷原子作用后，打开探测光对冷原子进行荧光采集。
40.本发明提供的下落式冷原子装置，使用通过冷却光光纤输出冷却光，经过冷却光反光镜改变光传播方向，在经过一个四分之一波片改变光的偏振方向，之后垂直照射光栅芯片，光栅芯片会产生三束或者四束衍射光，产生的衍射光与入射光重叠的部分配合一对
反亥姆霍兹线圈完成对原子的冷却，采用光栅磁光阱结构，减少波片和反射镜的使用数量，有效减少装置整体体积，并且在真空导管上设置吸气剂，使用吸气剂代替离子泵，体积更小，缓解了现有技术中存在的磁光阱结构复杂，体积较大，无法满足装置小型化的要求的技术问题。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
42.图1为本发明实施例提供的下落式冷原子装置中的光栅芯片安装结构示意图；
43.图2为本发明实施例提供的下落式冷原子装置的整体结构示意图；
44.图3为本发明实施例提供的下落式冷原子装置中共振光扩束和共振光光纤的安装结构示意图；
45.图4为本发明实施例提供的下落式冷原子装置中驻光波扩束和驻光波光纤的安装结构示意图；
46.图5为本发明实施例提供的下落式冷原子装置中荧光探测器的安装结构示意图；
47.图6为本发明实施例提供的下落式冷原子装置带有磁屏蔽组件的结构示意图。
48.图标：1-光栅芯片；2-原子源；3-冷却光光纤；4-反亥姆霍兹线圈；5-冷却光扩束；6-冷却光反光镜；7-四分之一波片；8-真空腔室；9-离子泵；10-吸气剂；11-共振光扩束；12-共振光光纤；13-驻光波第一反光镜；14-图像传感器；15-驻光波第二反光镜；16-驻光波扩束；17-亥姆霍兹线圈；18-驻光波光纤；19-探测光光纤；20-真空导管；21-探测光反光镜；22-探测光扩束；23-第一磁屏蔽筒；24-第二磁屏蔽筒；25-第三磁屏蔽筒；26-荧光探测器。
具体实施方式
49.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
50.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
51.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不
能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
54.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
56.传统磁光阱通过三对正交对射的圆偏振激光，并配合一对反亥姆霍兹线圈4，在激光的交汇处实现对原子的冷却，需要使用六个四分之一拨片，三个反射镜，三个激光准直头，造成体积较大，无法满足小型化要求。
57.有鉴于此，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例提供的下落式冷原子装置，包括光栅磁光阱和真空组件；光栅磁光阱包括光栅芯片1、分别设于光栅芯片1进光侧和背光侧的一对反亥姆霍兹线圈4、设于背光侧的反亥姆霍兹线圈4远离光栅芯片1一侧的四分之一波片7、设于四分之一波片7远离光栅芯片1一侧的冷却光反光镜6、以及射向冷却光反光镜6的冷却光扩束5和冷却光光纤3；真空组件设于背光侧的反亥姆霍兹线圈4与光栅芯片1之间，真空组件包括真空导管20和真空腔室8，真空导管20上设置有吸气剂10。
58.本实施例提供的下落式冷原子装置，使用通过冷却光光纤3输出冷却光，经过冷却光反光镜6改变光传播方向，在经过一个四分之一波片7改变光的偏振方向，之后垂直照射光栅芯片1，光栅芯片1会产生三束或者四束衍射光，产生的衍射光与入射光重叠的部分配合一对反亥姆霍兹线圈4完成对原子的冷却，采用光栅磁光阱结构，减少波片和反射镜的使用数量，有效减少装置整体体积，并且在真空导管20上设置吸气剂10，使用吸气剂10代替离子泵9，体积更小，缓解了现有技术中存在的磁光阱结构复杂，体积较大，无法满足装置小型化的要求的技术问题。
59.需要注意的是，下文中的上下左右前后，均针对于图4，图4正视于真空腔室8的一面为前侧面，背离前侧面的一面为后侧面，从右向左看为右侧面，从左向右看为左侧面，从上向下看为上侧面，从下向上看为下侧面。
60.关于光栅磁光阱的结构和形状，具体而言：
61.光栅磁光阱包括光栅芯片1、一对反亥姆霍兹线圈4、四分之一波片7、冷却光反光镜6、冷却光扩束5和冷却光光纤3；一对反亥姆霍兹线圈4分别设置于光栅芯片1的左右两侧，四分之一波片7位于左侧反亥姆霍兹线圈4的左侧，冷却光反光镜6位于四分之一波片7的左侧，冷却光扩束5和冷却光光纤3相互连接，冷却光扩束5和冷却光光纤3从前向后位于冷却光反光镜6的后侧。
62.反亥姆霍兹线圈4为圆柱型线圈，可为原子冷却提供所需梯度磁场；冷却光光纤3输出的冷却光设置为泵浦光和再泵浦光，泵浦光与再泵浦光耦合后经冷却光光纤3出射，经
过冷却光扩束5进行光束直径增加，在冷却光反光镜6的作用下，改变冷却光传输方向，经四分之一波片7后形成圆偏振宽束激光，配合可提供所需梯度磁场的反亥姆霍兹线圈4在光栅芯片1表面完成对原子的俘获和冷却。
63.光栅芯片1设置为硅基镀金，光栅芯片1上刻有衍射凹槽；光栅芯片1具高的衍射效率和较大的俘获面积，从而保证了冷却光垂直照射光栅芯片1后，能够产生高效率的衍射光束，进而有效的提高对原子的囚禁和冷却的能力。
64.关于真空组件的结构和形状，具体而言：
65.真空组件保证工作介质处在一个高的真空环境中，真空组件包括真空导管20和真空腔室8，吸气剂10通过真空导管20与真空腔室8连接，用来维持真空腔在10-7
pa—10-9
pa的真空度，真空腔室8以无磁的钛金属作为腔体材料，可以有效的减少环境磁场对原子的影响，并在一定程度上增加真空腔室8的鲁棒性，激光的入射和出射以及观察窗口以蓝宝石玻璃增涂特定波长的增透膜封装制成。
66.需要注意的是，在真空导管20上还可设置离子泵9，离子泵9和吸气剂10共同作用使真空腔室8内形成真空环境，去掉离子泵9的设置，可进一步缩小装置的体积，根据实际情况选择是否安装离子泵9。
67.关于原子作用组件的结构和形状，具体而言：
68.原子作用组件包括设于真空腔室8后侧面从前到后的共振光扩束11和共振光光纤12、设于位于真空腔室8前侧面的图像传感器14，图像传感器14为电荷耦合器件相机，用于对原子团实时监视和配合共振光完成对原子数的检测、设于位于真空腔室8上侧面的驻光波第一反光镜13、设于位于驻光波第一反光镜13右侧的从左到右的驻光波扩束16和驻光波光纤18、设于位于真空腔室8下侧面的驻光波第二反光镜15。
69.驻光波为下落式冷原子装置应用于原子干涉仪时完成原子选态和相互作用过程的相向光。
70.关于探测组件的结构和形状，具体而言：
71.所述探测系统包括设于位于真空腔室8右侧面依次从左到右的探测光扩束22和探测光光纤19、设于位于真空腔室8前侧面的荧光探测器26、设于真空腔室8左侧面的探测光反光镜21。
72.关于磁屏蔽组件的结构和形状，具体而言：
73.磁屏蔽组件能够在一定程度上避免原子受外界环境磁场的影响，包括自内向外的第一磁屏蔽筒23、第二磁屏蔽筒24和第三磁屏蔽筒25，磁屏蔽筒的上下侧面均含为圆柱型且两端都具有可拆卸连接的端盖，使用波莫合金制成，厚度为1-2mm，磁屏蔽筒可以有效的屏蔽环境磁场对原子的影响，第一磁屏蔽筒23和第二磁屏蔽筒24侧面设有激光馈入，馈出，以及观察窗口的通光孔。
74.第一磁屏蔽筒23内设有一对亥姆霍兹线圈17，亥姆霍兹线圈17采用铜导线制造而成，在原子囚禁和移动的空间中提供均匀磁场，且平行于驻光波，用于将原子的能级进行塞曼分裂。
75.本实施例提供的下落式冷原子装置，结构更加紧凑，可大幅减少体积，具有实用性，下落式的冷原子装置可兼容性的应用到原子重力仪、下落式原子钟等系统中，在一定程度上满足现在对量子标准与精密测量系统小型化的要求。
76.本实施例提供的下落式冷原子装置的工作方法，包括以下步骤：打开冷却光和反亥姆霍兹线圈4，冷却光垂直照射光栅芯片1，经光栅芯片1衍射后的衍射光与入射光汇聚，在汇聚处俘获并冷却原子源2注入的原子；通过控制冷却光参数完成原子的亚多普勒冷却；亚多普勒冷却后，关闭冷却光与反亥姆霍兹线圈4，打开亥姆霍兹线圈17、共振光、驻光波完成与冷原子的作用；激光与冷原子作用后，打开探测光对冷原子进行荧光采集。
77.具体的，第一步：冷却，使用通过冷光光纤输出冷却光，冷却光包括泵浦光和再泵浦光，经过反射镜改变光传播方向，在经过一个四分之一波片7改变光的偏振光方，之后垂直照射反射光栅芯片1，光栅芯片1会产生三束或者四束衍射光，一维光栅芯片1产生三束衍射光，二维光栅芯片1产生四束衍射光，产生的衍射光与入射光重叠的部分配合一对反亥姆霍兹线圈4完成对原子的冷却。
78.第二步：后冷却，完成原子冷却后，通过增大冷却光的失谐，减小冷却光的光功率，完成后冷却阶段，这个过程称之为偏振梯度冷却。
79.第三步：选态，在偏振梯度冷却的过程中，通过改变冷却光中泵浦光和再泵浦光的开关时序和频率实现对原子的选态，这样的选态方式就省去了喷泉钟中的选态腔，减小了体积。
80.第四步：原子的激励，完成选态后，原子因为重力的作用，下落通过微波腔完成原子的激励。
81.第五步：原子探测，原子经过激励后，下落到探测区，开启探测光，实现对激励后原子的作用，通过荧光收集器完成信号的收集，从而得到我们需要的信号。
82.本实施例提供的下落式冷原子装置的工作方法，原子因重力作用进行自由下落的运动方式，可应用到下落式原子钟、原子重力仪等量子频标和精密测量系统。
83.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。