[發明專利]集成化通用冷原子科學實驗腔

有效

• 申請號: 202110341587.2
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113161034B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 劉乾;汪斌;呂德勝;李琳;謝昱;梁昂昂;李文文
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開一種全新的集成化通用冷原子科學實驗腔，包括真空腔、光學安裝盤和磁場線圈組件。本發明裝置功能全面，擁有各類共計24個光學窗口，另外本發明的磁場線圈可變向，可以提供大的梯度范圍以及單向強磁場的大磁場線圈以及可快速掃描的快變線圈，可以滿足超冷原子實驗時冷卻，探測，成像，以及各類科學實驗所需的光阱，一維、二維、三維、六角、三角等目前冷原子、超冷原子常見所有光晶格激光的通光需求，以及相應磁場的需求。作為科學實驗的載體，本發明為冷原子物理實驗工程化系統提供了一種解決方案。

技術領域

本發明涉及激光冷卻，原子物理，以及超高真空等領域，特別是一?種主要用于冷原子實驗的裝置。

背景技術

以玻色—愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein?condensation，簡稱BEC)?為代表的超冷原子物理是近十幾年來蓬勃興起的一個新興科學領域。以?目前的發展勢頭，可以預見在未來二十年內它仍將是物理學最前沿、最?引人注目、最具有活力的領域之一。這個新興領域在物理學與科學技術?的發展史上的重要地位是不言而喻的，該領域及相關領域因原子的激光?冷卻(1997年)，玻色—愛因斯坦凝聚的實現(2001年)以及光的量子?相干性與精密光譜學的發展(2005年)，以及基于超冷原子光晶格技術?的原子鐘與量子操控技術(2012年)先后四次摘取諾貝爾物理學獎桂冠。?作為量子科技的一部分，基于量子傳感的超冷原子實驗更是其中最關鍵?的部分。超冷原子實驗中科學腔是所有實驗的基礎，是進行實驗必不可少的組部件。它承擔了實驗中操縱原子所必須的激光，磁場，微波，射?頻等關鍵物理量的饋入，另外這些關鍵物理量對應饋入角度是有嚴格要?求的。一個功能全面的冷原子科學實驗腔不僅僅可以為不同物理實驗提?供上述必要條件，還有利于整機的工程化，產業化。

超高真空，在冷原子制備的過程中，真空環境是一個基礎且必要的?條件。對于超冷原子實驗如若腔室真空度不高，則由于背景氣體原子密?度高，原子平均自由程短，背景氣體原子與磁光阱中冷原子碰撞，冷原?子很容易通過碰撞獲得能量逃逸出磁光阱的俘獲，這就使得冷原子壽命?較短，無法進行接下來的磁阱俘獲以及蒸發冷卻。再就是，背景氣體原?子熒光較強，會對俘獲冷原子探測有影響。因此超冷原子實驗都要求實?驗腔體內真空度達到10^-9Pa量級的超高真空。

磁光阱，主要是基于激光冷卻技術。原子在靜磁場與光場的混合力?阱作用下被冷卻。磁光阱的發明給激光冷卻與原子陷俘帶來了極大便利，?不僅僅技術簡單易實現，還很容易獲得溫度足夠低，足夠數目(一般是?10⁷～10¹⁰)的冷原子。如圖5所示，磁光阱的光場主要由三個正交方向?的σ⁺-σ^-駐波場組成，磁場由一對半徑相同的反赫姆霍茲線圈提供。?原子在三個維度的方向上都被減速，從而被冷卻陷俘。

為滿足上述技術要求，一方面是真空腔體，另外一方面就是磁場和?激光的要求，除了能饋入相關實驗用的激光以及磁場外，實驗本身還對?饋入的物理量有具體方向的嚴格要求。因此科學實驗腔體的構型就非常?重要。另外腔體材料的選擇也是必不可少的細節。好的腔體構型可以滿?足多種科學實驗的需求。整個結構的小型化，工程化伴隨著現階段科學?發展的形勢也越來越重要。

傳統的超冷原子物理實驗，通常腔體都是立方體形式的玻璃腔，配?合金屬法蘭，真空泵系統，光學系統，磁場單元等構成實驗系統。整套?系統異常龐大，復雜。具體應用過程中也有諸多問題：

1)玻璃腔結構脆弱，安裝過程誤操作或操作不當會造成不可挽回的?損失；

2)系統結構復雜，不可搬運，腔體結構造成了工程化，小型化難度?增大；

3)科學實驗上不能滿足所有實驗需求，實驗調整會造成結構上的全?方位的變動，重新恢復系統需要時間很長；

3)科學實驗中大磁場情況下功耗巨大，為散熱需要用中心通水的矩?形銅導線來繞制磁場線圈。水冷散熱帶來的微震動將導致磁場的抖動會?影響冷原子實驗的最終結果；

發明內容