冷原子团的非绝热转移装置及其转移方法

摘要

一种冷原子团的非绝热转移装置及其方法，装置包括带有原子源的真空腔、两对反向亥姆霍兹线圈、偏置磁场线圈组、真空泵系统、光学系统、基于LabVIEW的线圈电流控制系统和CCD探测系统。用作转移冷原子团的磁四极阱由两对反向亥姆霍兹线圈产生，该磁四极阱中心位置的速度通过改变线圈电流来控制。本发明通过调制产生磁四极阱的线圈电流，对磁四极阱的转移速度进行调制，避免了对冷原子团的加热效应和其质心运动模式的激发，具有转移速度快，耗能小，不损伤电子器件的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及冷原子团，特别是一种冷原子团的非绝热转移装置及其转移方法。

背景技术

冷原子团的转移对于原子物理实验是一项重要技术，它使冷原子的应用和制备 在空间分离。进行冷原子团转移时需要注意以下两点：（1）避免转移持续时间过长。 例如，在使用磁阱进行转移时，通常磁阱都是由线圈或芯片导线中的电流产生，时 间过长系统就会受到电流产生的热能影响，且在电流要求较大的情况下，将会损伤 电子器件。（2）避免对冷原子团质心运动模式的激发。该激发表现为冷原子团的质 心振荡，振荡的幅度与转移阱的速度构型的傅立叶变换有关（详见文献1 Dongyuan  Chen,Haichao Zhang,Xinping Xu,Tang Li,and Yuzhu Wang,Appl.Phys.Lett. 96,134103(2010)）。

国际上已经有很多关于冷原子团转移的报道：

（1）美国E.A.Cornell小组用磁四极阱作为转移势阱，先将激光冷却了的原子 装载进磁四极阱，然后机械地移动产生该磁阱的反向亥姆霍兹线圈，实现了冷原子 团的转移（参见文献2 H.Lewandowski,D.Harber,D Whitaker,and E.Cornell, Simplified system for creating a Bose-Einstein condensate,J.Low  Temp.Phys.,2003,132,309-367）。因为是机械控制线圈移动，这种转移方案耗时长， 且会产生机械抖动，带来冷原子团质心运动模式的激发。

（2）德国的小组也是用反向亥姆霍兹线圈产生的磁四极阱作为转移势阱， 他们在转移的初始位置到目标位置之间布满线圈对，转移冷原子团时依次给各组线 圈对通上电流产生磁阱，冷原子团在磁阱间不停转移，直到目标位置（参见文献3 M.Greiner,I.Bloch,T.W.and T Esslinger,Magnetic transport of  trapped cold atoms over a large distance,Phys.Rev.A,2001,63(3),031401）。 这种方法需要使用大量线圈，装置复杂，且耗时也长。

与上述耗时长的绝热转移相比，本发明提出的非绝热转移冷原子团的装置及其 方法，可以快速转移冷原子团，且通过调制势阱速度避免了对冷原子团质心运动模 式的激发，操作简单。

发明内容

本发明为了解决冷原子团绝热转移耗时过长的缺点，同时避免快速非绝热转移 对冷原子团质心运动模式的激发，提供一种冷原子团的非绝热转移装置及其转移方 法，该装置和方法具有冷原子团转移速度既快，又避免了原子团质心运动模式的激 发的特点。

本发明技术解决方案如下：

一种冷原子团的非绝热转移装置，特征在于其构成包括一个带有原子源的真空 腔体、由两个反向亥姆霍兹线圈组成的MOT线圈对、两个反向亥姆霍兹线圈组成的 转移线圈对、由两个线圈构成的偏置磁场线圈组、真空泵系统、光学系统、线圈电 流控制系统和CCD探测系统：

所述的真空腔体由方形长筒状的石英玻璃池和一段圆筒形玻璃管一体构成，该 圆柱形玻璃管的下端连接十芯电极，为系统提供原子源的铷棒固定在所述的十芯电 极的两个接线柱上，该十芯电极与T型三通真空管的上端口相连，该三通真空管下 端口连接一个法兰，该三通真空管横向端口相连真空泵系统；

所述的MOT线圈对为圆形线圈，对称地固定在所述的真空腔体的方形长筒状的 石英玻璃池的前后方，所述的MOT线圈对的轴线与所述的方形长筒状的石英玻璃池 的中轴线垂直，所述的转移线圈对为圆形线圈，对称地固定在所述的真空腔体方形 长筒状的石英玻璃池的前后方并位于所述的MOT线圈对的内侧偏下，所述的偏置磁 场线圈组是一对方形线圈，固定在所述的真空腔体的方形长筒状的石英玻璃池的前 后方，所述的偏置磁场线圈组的轴线与所述的MOT线圈对的轴线正交；

所述的光学系统包括第一半导体激光器和第二半导体激光器，所述的第一半导 体激光器产生六束冷却光、一束抽运光和一束探测光，所述的第二半导体激光器产 生反抽运光，所述的六束冷却光构成三对对射的激光束，且该三对对射的激光束两 两正交并交汇在所述的MOT线圈对的中心，一对冷却光水平地沿所述的MOT线圈对 的轴线射向MOT线圈对的中心，其他两对冷却光与所述的方形长筒状的石英玻璃池 的轴线的夹角成45°斜射向所述的MOT线圈对的中心，所述的抽运光和反抽运光水 平地并垂直于所述的MOT线圈对的轴线射向所述的射向MOT线圈中心；所述的探测 光束从上向下竖直地射入所述的真空腔体并穿过所述的MOT线圈对的中心，所述的 CCD探测系统固定在真空腔体的外侧，该CCD探测系统包括一套成像透镜和一台CCD 探测器，所述的CCD探测器的方向与所述的MOT线圈对的轴线垂直；

所述的控制系统包括计算机，该计算机经板卡与第一电流控制电路和第二电流 控制电路的控制端相连，所述的第二电流控制电路的输入端和输出端与所述的MOT 线圈对的两线圈的两端相连，所述的第一电流控制电路的输入端和输出端与所述的 转移线圈对的两线圈的两端相连，所述的计算机与所述的第一半导体激光器和第二 半导体激光器的控制开关相连，所述的计算机通过控制声光调制器和机械开关按程 序实施对所述的六束冷却光、反抽运光、抽运光和探测光的开关控制。

利用上述的冷原子团的非绝热转移装置进行冷原子团转移的方法，其特点在于 该方法包括下列步骤：

①制备冷原子团：启动装置处于工作状态，使真空腔体的真空度保持在10^-6Pa 量级，给所述的十芯电极的铷棒的两个电极加上电压产生原子，计算机通过声光调 制器和机械开关按程序打开六束冷却光和反抽运光，同时计算机经板卡通过第二电 流控制电路给MOT线圈对提供电流产生磁场，形成磁光阱，对所述的原子进行俘获 形成冷原子团，通过CCD探测系统对磁光阱进行观测，当观测到磁光阱的原子团荧 光后，停止给MOT线圈对供电；

②进行偏振梯度冷却：计算机控制声光调制器降低所述的六束冷却光束的频率 和功率，使原子团的温度冷却到多普勒极限以下，关断所述的六束冷却光束；

③进行光抽运：计算机给偏置磁场线圈组通电，产生偏置磁场，计算机控制声 光调制器和机械开关打开所述的抽运光束和反抽运光束，当原子处于磁阱可装载的 磁子能级，关断所有光束；

④磁四极阱装载冷原子：给MOT线圈对再次通电，在MOT线圈对之间产生磁四 极阱，所述的冷原子团将进入所述的磁四极阱；

⑤快速非绝热转移冷原子团：在磁四极阱装载冷原子后，保持给所述的MOT线 圈对供电的同时，计算机通过板卡和所述的第一电流控制电路给所述的转移线圈对 通电，所述的转移线圈对产生的磁场与所述的MOT线圈对的磁四极阱的叠加形成组 合势阱，所述的冷原子团将趋向该组合势阱的中心，该组合势阱的中心位置依赖于 所述的MOT线圈对和所述的转移线圈对施加的电流比值，因此，通过所述的计算机 不断调整所述的MOT线圈对和转移线圈对的电流比值，使所述的叠加势阱的中心位 置沿所述的真空腔体的中轴上下移动，处于该势阱中的冷原子团也将跟随沿所述的 真空腔体的中轴上下移动；同时，通过在线圈电流控制信号上加上调制，对转移势 阱的速度进行了调制，避免了对冷原子团质心运动模式的激发；

⑥探测被转移的冷原子团：当上述快速非绝热转移冷原子团过程结束后，计算 机控制声光调制器和机械开关打开探测光束，CCD探测系统收集原子团产生的荧光 而成像。

本发明的技术效果：

1、本发明中MOT线圈对和转移线圈对的轴线与真空系统石英玻璃池的中轴线 垂直，转移线圈对在MOT线圈对内侧偏下。每组线圈对中通入电流后，产生的磁场 叠加成为组合势阱，用作转移。调整两线圈对中电流的比值就会使该组合势阱发生 位移，组合势阱的位移速度也是通过控制线圈电流来实现，不需要机械地移动线圈 对，带来不必要的抖动。电流控制基于LabVIEW程序，通过板卡输出模拟电压信号 至电流控制电路，改变线圈电流。

2、本发明在快速转移冷原子团的同时，通过对组合势阱的转移速度进行调制， 避免了原子团质心运动模式的激发。由于本发明中用作转移的磁四极阱，只是由两 对反向亥姆霍兹线圈产生，故结构简单。且该磁阱的移动和移动速度都是通过改变 线圈电流来实现，控制起来简单，能消除机械移动线圈所带来的抖动。

附图说明

图1是本发明冷原子团的非绝热转移装置立体框图；

图2是本发明冷原子团的非绝热转移装置右视图；

图3是本发明冷原子团的非绝热转移装置正视图；

图4是本发明冷原子团的非绝热转移装置的电流控制图；

图5是本发明的LabVIEW电流控制信号的时序图；

图6是本发明的光束开关控制原理图。

其中：

1-半导体激光器（产生6束冷却光4.1-4.6，抽运光5和探测光7）；

2-半导体激光器（产生反抽运光6）；

3-带有原子源的真空腔体；

4．1至4.6-6束冷却光（构成三维磁光阱）；

5-抽运光束；

6-反抽运光束；

7-探测光束；

8-包括线圈8.1和8.2，是产生偏置磁场的方形线圈组；

9.1、9.2-一对反向亥姆霍兹线圈，称作MOT线圈对；

10．1、10.2–一对反向亥姆霍兹线圈，称作转移线圈对；

11–探测用CCD成像系统；

12–离子泵；

13–法兰；

14–电极；

15.1–计算机，基于LabVIEW控制板卡15.2的输出信号；

15.2–板卡，输出电压控制信号；

15.3–输出到转移线圈组10.1和10.2的电流控制电路；

15.4-输出到MOT线圈组9.1和9.2的电流控制电路；

16–三通真空管；

16.1-三通真空管上端；

16.2-三通真空管下端；

16.3-三通真空管侧端。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应该以此限制本发明的变 化范围。

请先参阅图1、图2、图3、图4和图5，图1是本发明冷原子团的非绝热转移 装置的立体框图，图2是冷原子团的非绝热转移装置的右视图，图3是冷原子团的 非绝热转移装置的正视图，图4是本发明冷原子团的非绝热转移装置的电流控制图， 图5是本发明LabVIEW电流控制信号的时序图，图6是本发明光束开关控制原理 图。由图可见，本发明冷原子团的非绝热转移装置的构成包括一个带有原子源的真 空腔体3、由两个反向亥姆霍兹线圈组成的MOT线圈对9.1、9.2、两个反向亥姆霍 兹线圈组成的转移线圈对10.1、10.2、由两个线圈构成的偏置磁场线圈组8.1、8.2、 真空泵系统、光学系统、线圈电流控制系统15和CCD探测系统11：

所述的真空腔体3由方形长筒状的石英玻璃池和一段圆筒形玻璃管一体构成， 该圆柱形玻璃管的下端连接十芯电极13，为系统提供原子源的铷棒固定在所述的十 芯电极13的两个接线柱上，该十芯电极13与T型三通真空管16的上端口16.1相 连，该三通真空管16下端口16.2连接一个法兰13，该三通真空管16横向端口16.3 相连真空泵系统12；

所述的MOT线圈对9.1、9.2为圆形线圈，对称地固定在所述的真空腔体3的 方形长筒状的石英玻璃池的前后方，所述的MOT线圈对9.1、9.2的轴线与所述的 方形长筒状的石英玻璃池的中轴线垂直，所述的转移线圈对10.1、10.2为圆形线 圈，对称地固定在所述的真空腔体3方形长筒状的石英玻璃池的前后方并位于所述 的MOT线圈对9.1、9.2的内侧偏下，所述的偏置磁场线圈组8.1、8.2是一对方形 线圈，固定在所述的真空腔体3的方形长筒状的石英玻璃池的前后方，所述的偏置 磁场线圈组8.1、8.2的轴线与所述的MOT线圈对9.1、9.2的轴线正交；

所述的光学系统包括第一半导体激光器1和第二半导体激光器2，所述的第一 半导体激光器1产生六束冷却光4.1至4.6、一束抽运光5和一束探测光7，所述 的第二半导体激光器2产生反抽运光6，所述的六束冷却光4.1至4.6构成三对对 射的激光束，且该三对对射的激光束两两正交并交汇在所述的MOT线圈对的中心， 一对冷却光4.2和4.5水平地沿所述的MOT线圈对的轴线射向MOT线圈对9.1、9.2 的中心，其他两对冷却光4.1和4.4、4.2和4.6与所述的方形长筒状的石英玻璃 池的轴线的夹角成45°斜射向所述的MOT线圈对的中心，所述的抽运光5和反抽运 光6水平地并垂直于所述的MOT线圈对的轴线射向所述的射向MOT线圈中心；所述 的探测光束7从上向下竖直地射入所述的真空腔体3并穿过所述的MOT线圈对的中 心，所述的CCD探测系统11固定在真空腔体3的外侧，该CCD探测系统11包括一 套成像透镜和一台CCD探测器，所述的CCD探测器的方向与所述的MOT线圈对9.1、 9.2的轴线垂直；

所述的控制系统15包括计算机15.1，该计算机15.1经板卡15.2与第一电流 控制电路15.3和第二电流控制电路15.4的控制端相连，所述的第二电流控制电路 15.4的输入端和输出端与所述的MOT线圈对9.1、9.2的两线圈的两端相连，所述 的第一电流控制电路15.3的输入端和输出端与所述的转移线圈对10.1、10.2的两 线圈的两端相连，所述的计算机15.1与所述的第一半导体激光器1和第二半导体 激光器2的控制开关相连，所述的计算机15.1通过控制声光调制器和机械开关按 程序实施对所述的六束冷却光4.1至4.6、反抽运光5、抽运光6和探测光7的开 关控制。

利用上述的冷原子团的非绝热转移装置进行冷原子团转移的方法，包括下列步 骤：

①首先，制备冷原子：在真空度保持在10^-6Pa级别的真空腔体3中制备磁光阱， 这一阶段中需打开六束冷却光4.1至4.6和反抽运光6，同时给MOT线圈对9.1、 9.2提供电流产生磁场，磁光阱结束后停止给MOT线圈对9.1、9.2供电；

②进行偏振梯度冷却：用于偏振梯度冷却的激光束还是光束4.1至4.6，通过 计算机控制声光调制器降低激光束频率和功率。持续一段时间后，使原子团温度冷 却到多普勒极限以下；

③进行光抽运：给偏置磁场线圈组8通电，产生偏置磁场，打开抽运光束5， 将原子抽运到弱场趋向态，在此过程，反抽运光6保持打开；

④磁四极阱装载冷原子：在上述抽运过程结束后立即给MOT线圈对9.1、9.2通 电流，产生磁四极阱，将冷原子装载进该磁阱，得到即将转移的冷原子团；

⑤快速非绝热转移冷原子团：在磁四极阱装载冷原子后，保持给MOT线圈对 9.1、9.2供电，同时给转移线圈对10.1、10.2通上电流。所述的MOT线圈对9.1、 9.2和所述的转移线圈对10.1、10.2产生的磁场叠加成为势阱。由于所述的MOT 线圈对9.1、9.2和所述的转移线圈对10.1、10.2中的电流比值不同时，叠加成的 势阱中心位置不同。通过所述基于LabVIEW的电流控制系统15调整这两组线圈对 中的电流比值，就使的该叠加成的势阱中心位置发生移动，处于该势阱中的原子团 也将移动，实现转移。势阱中心移动的速度也是通过控制线圈电流来实现，快速移 动组合势阱中心，处在该组合势阱中的冷原子团也被快速转移。同时，通过在线圈 电流控制信号上加上调制，对转移势阱的速度进行了调制，避免了对冷原子团质心 运动模式的激发。LabVIEW程序给出的电流控制信号时序如图5所示。

⑥探测被转移的冷原子团：当上述快速非绝热转移冷原子团过程结束后，打开 探测光束7，CCD探测系统11即收集原子团产生的荧光而成像。