[發明專利]一種芯片表面的原子囚禁及光學晶格方法

有效

• 申請號: 201310252770.0
• 申請日: 2013-06-21
• 公開（公告）號: CN103337271A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 王正嶺;王艷麗;姜文帆
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 盧亞麗

技術領域

本發明涉及冷原子激光囚禁及冷原子光學晶格領域，特指一種芯片表面近場光學的冷原子激光囚禁及冷原子光學晶格，適用于任何類型中性冷原子的芯片表面近場光學的激光囚禁及冷原子光學晶格。

背景技術

近年來，中性冷原子在固體表面的囚禁及光學晶格的研究已成為冷原子物理和原子光學領域中的研究熱點之一，它在量子信息、光晶格和原子芯片的研究中具有十分重要的意義。這種技術已逐漸被應用到對冷原子及玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）體的受限與控制、量子傳輸和隧道效應及量子固態系統微型化和集成化的研究中。利用光在介質和空氣界面上發生全反射產生的消逝波，1997年Ovchinnikov等人實現了Cs原子的消逝波重力光學阱和原子的強度梯度冷卻。2004年，Grimm等人采用一束藍失諧的消逝波光場和一束紅失諧的聚焦Yb光纖激光構成的光學表面勢阱,并通過一維消逝波強度梯度冷卻和Yb光纖激光的光學勢蒸發冷卻實現了Cs原子的全光型2D?BEC。2008年，王正嶺等人提出了一種采用兩套消逝波干涉和一束藍失諧消逝波光場來實現原子二維冷原子表面光學晶格的方案，得到了各向同性的二維冷原子表面光學晶格。

雖然固體表面的原子囚禁及光學晶格的研究已取得了非常大的成就，但受光的衍射極限的影響，傳統的原子囚禁及光學晶格的光場特征尺度一般只能限制在半波長量級的線度范圍，因此這將對固體表面的原子囚禁及原子光學晶格的基礎研究帶來一些不足。鍍膜倒金字塔型棱鏡表面的近場表面等離子激元是一種近場光學局域增強效應，它本身及其干涉場具有將電磁場能量局域在突破衍射極限的納米尺度空間范圍的特性，并能形成原子-固態耦合裝置系統。本發明的思路是利用鍍膜倒金字塔型棱鏡金屬膜表面的近場表面等離子激元及其干涉光場對裝載進入的中性冷原子分別實現有效囚禁、一維原子表面光學晶格和二維原子表面光學晶格。

發明內容

本發明的目的是提供一種芯片表面的冷原子激光囚禁及冷原子光學晶格。利用一束、一對和兩對激光分別從鍍膜倒金字塔型棱鏡的側面入射，分別產生近場表面等離子激元、一維近場表面等離子激元干涉場和二維近場表面等離子激元干涉場，分別實現原子囚禁、一維原子表面光學晶格和二維原子表面光學晶格。近場表面等離子激元具有將電磁場能量局域在突破衍射極限的空間范圍的特性，它可以使原子囚禁、一維原子表面光學晶格和二維原子表面光學晶格的特征長度達到納米量級。這種方法原理簡單，操作方便，可重復性好，能實現各種中性冷原子的原子囚禁、一維原子表面光學晶格和二維原子表面光學晶格，應用范圍廣泛。

本發明所采用的技術方案，是激光照射鍍膜面朝上放置的鍍膜倒金字塔型棱鏡的側面，全反射引起的消逝波在金屬膜表面激發出近場表面等離子激元，利用近場表面等離子激元及其干涉光場對裝載進入的中性冷原子分別實現有效囚禁、一維原子表面光學晶格和二維原子表面光學晶格。

本發明方法的具體步驟是：

（1）將鍍膜倒金字塔型棱鏡鍍膜面朝上平行安裝放置到激光光路系統中；

（2）調節激光光路系統，分別采用一束激光照射鍍膜倒金字塔型棱鏡的側面，以及一對和兩對激光分別從鍍膜倒金字塔型棱鏡的相對側面入射，要求入射角大于全反射臨界角，全反射引起的消逝波分別產生近場表面等離子激元、一維近場表面等離子激元干涉場和二維近場表面等離子激元干涉場；

（3）利用多普勒激光冷卻和偏振梯度冷卻方法實現中性原子磁光阱冷原子光學粘膠；

（4）進行冷原子裝載，使磁光阱冷原子光學粘膠中的冷原子裝載到鍍膜倒金字塔型棱鏡的近場表面等離子激元、一維近場表面等離子激元干涉場和二維近場表面等離子激元干涉場中，分別實現原子囚禁、一維原子表面光學晶格和二維原子表面光學晶格；

(5)利用原子探測器的近共振原子吸收成像技術測量鍍膜倒金字塔型棱鏡表面原子的數目、密度和原子分布尺寸等情況。

本發明中所述鍍膜倒金字塔型棱鏡，通過下述方法制得：采用粗磨、精磨、拋光等加工工序把玻璃材料（如選用熔石英）加工成倒金字塔型棱鏡，再采用磁控濺射方法在倒金字塔型棱鏡底面鍍上一層貴金屬（如選用銀）薄膜，制作成鍍膜倒金字塔型棱鏡。

本發明中光路系統由激光器、斬波器、起偏器、聚焦透鏡、擴束透鏡、分束鏡、反射鏡等組成。激光器發出的激光束先經過斬波器和起偏器，再由聚焦透鏡聚焦和擴束透鏡擴束，形成一平行光束，利用分束鏡和反射鏡可以改變光束方向和根據需要產生多個光束。

步驟（3）中利用四極磁阱和光學粘膠相結合的方法實現中性原子的多普勒激光冷卻和偏振梯度冷卻，形成磁光阱冷原子光學粘膠，此時原子溫度約為20微開。