[發明專利]光路系統及高通量冷原子束流二維磁光阱系統

有效

• 申請號: 201611237874.4
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106782739B
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 江玉海;袁俊陽;張逸竹
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙)31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明屬于中性冷卻原子產生技術領域，特別是涉及一種光路系統及高通量冷原子束流二維磁光阱系統。

背景技術

冷原子物理是最近二十年發展起來的前沿物理學分支，現已經成為現代物理學中最為活躍的領域之一。冷原子物理學和先進光學等技術結合，實現了光頻標、原子鐘、原子干涉儀等精密測量物理學領域的新概念、新方法和新技術，不僅有重大的科學研究價值，而且對人民生活、技術進步和經濟發展產生重大影響。目前的這些精密測量主要體現在頻譜的范圍。

氣體原子或分子在通常狀況下處于無規則的熱運動狀態，室溫下原子、分子在空氣中的運動速度約為300m/s的量級，即使降溫到77K，氮分子的運動速度仍高達150m/s，而氦原子在4K時的運動速度為90m/s。當溫度降低到粒子的熱運動速度小于1m/s時，任何氣體都將凝結成液體或固體，這時原子間有強烈的作用，其結構和性能也會發生顯著變化。所以對自由原子的研究一般以快速原子為對象，原子過高的運動速度使得觀察和測量極為困難。如何使原子的運動速度降至極小，甚至接近于零，又使它們保持相對獨立，很少有相互作用，這是物理學家的一個夢想，也是物理學上的一大難題。傳統的化學方法或原子束法只能將溫度降到幾十K的量級，液氦至多可產生幾K的低溫環境。激光冷卻與囚禁原子技術使這個難題得到了解決！Doppler冷卻和光學粘膠(optical molasses)的辦法可以制備1mK～1μK范圍的冷原子，蒸發制冷甚至可以制備1μK以下的超冷原子。

對冷原子和超冷原子行為特性的研究，有助于理解光場對原子的控制、基本物理量的精確測量、物質波干涉和量子統計現象等，對于化學物理、原子分子物理、光物理以及凝聚態物理的研究具有重要的意義。

冷原子的de Broglie波長大于或等于化學鍵的長度，與激光的波長相當，容易呈現出波動性，如共振、干涉等。冷原子的碰撞作用時間大于自發輻射壽命，可得到線寬小于自然線寬的高分辨率光譜。當溫度足夠低、原子的de Broglie波長大于原子間的平均距離時，就可以形成玻色-愛因斯坦凝聚(BEC:Bose-Einstein condensation)。冷原子在光場的作用下，通過碰撞可結合成光締合分子，其光譜特征就是光締合光譜(Photoassociationspectrum)。目前，冷原子和超冷原子已用于原子頻標、原子干涉儀、物質波全息成像(mater-wave holography)、光學晶格(optical lattices)以及Bose-Einstein凝聚(BEC)等方面的研究。除此之外，分子的冷卻也取得了進展。用激光冷卻的超冷離子已被用于量子邏輯門的演示實驗，并有可能成為量子計算機的實現方案。所有這些成果都給我們展現出了廣闊的應用前景。

二維磁光阱為現有對原子冷卻以形成冷原子和超冷原子的主要設備，但現有的二維磁光阱一般只使用兩個橢圓形光束作為冷卻光的磁光阱，存在冷卻原子束的通量小、發散角大、速度分布帶寬較寬及冷卻效果不佳等問題。為了增加冷卻原子束的通量，一般通過增加冷卻區的長度來增加冷卻原子束的通量，但由于現有的二維磁光阱中冷卻區中的二分之一波片、四分之一波片、偏振分光棱鏡等都是使用單獨的鏡架固定，增加冷卻區的長度就會增加二分之一波片、四分之一波片、偏振分光棱鏡的數量，從而需要很多的鏡架，這些鏡架會占據較大的空間，單獨操作起來也非常的不方便。

此外，現有的二維磁光阱一般采用反亥姆赫茲線圈產生梯度磁場，但反亥姆赫茲線圈產生的定梯度的磁場需要考慮到流的發熱影響，需要能夠提供較大電流的電流源以產生磁場，使得設備的成本較高；同時，由于磁場由電流源提供的電流產生，產生的磁場會隨著電流源產生的電流的變化而發生起伏變化。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種光路系統及高通量冷原子束流二維磁光阱系統，用于解決現有技術中的二維磁光阱系統存在的冷卻原子束的通量小、發散角大、速度分布帶寬較寬、冷卻效果不佳、體積大、操作不方便、成本較高及磁場穩定性不好等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種光路系統，所述光路系統包括：

玻璃腔體，所述玻璃腔體包括與其端面相垂直的兩兩相對的四個側面；

第一冷卻子系統，位于所述玻璃腔體相對的兩側面的兩側；

第二冷卻子系統，位于所述玻璃腔體另外相對的兩側面的兩側；

所述第一冷卻子系統及所述第二冷卻子系統沿所述玻璃腔體的長度方向均依次包括三個第一冷卻區域及一個第二冷卻區域。