一种应用于超冷镱原子系统产生双色磁光阱的方法

摘要

本发明公开了一种应用于超冷镱原子系统产生双色磁光阱的方法，涉及超冷原子技术领域，本发明产生双色MOT的基本工作原理是：将制备的中空蓝光MOT光束与绿光MOT光束结合起来，形成六束冷却光，然后在MOT主腔内两两对射，构成相互正交的σ+‑σ‑光路，形成光学粘团，原子由此受到三维阻尼力的作用，起到陷俘作用。本发明使用锥透镜制备中空的蓝光MOT，让绿光MOT填充入蓝光MOT中空部分，而未使用时序操控，简化了实现冷却陷俘原子的过程；光路易于搭建，操作灵活；不仅可以冷却Yb原子，还可适用于Er、Dy等能级结构相似的碱土类金属原子，适用较为广泛；与已有的两级转移双色MOT相比，装载速率提高，囚禁原子数增加，可有效的对原子进行冷却。

说明书

技术领域

本发明涉及超冷原子技术领域，尤其是涉及一种应用于超冷镱原子系统产生双色磁光阱的方法。

背景技术

1987年，Raab等人首次用磁光阱(MOT)技术来囚禁冷却原子，此技术的发明由于操作过程简便，具有较好的冷却原子效果，成为冷原子领域不可缺少的重要实验技术。典型的磁光阱是由三对相互正交的激光形成的光学粘团，以及一对反亥姆霍兹线圈形成的一种三维陷俘构型。此后，为满足不同的实验要求不同形式的磁光阱不断涌现。近年来，针对超冷镱原子系统中磁光阱的主要构型大致可分为以下两种：一类是日本Kyoto University小组、美国Francesco小组、中国香港科技大学研究组等，采用波长为556nm的绿光MOT对Yb原子进行三重态

但是，绿光MOT装载速率远小于蓝光MOT，且易受到塞曼减速器减速光和磁场的干扰；虽然蓝光MOT具有高装载率的优势，但受原子跃迁通道泄漏的限制，囚禁的原子数有限，而采用两级MOT转移的方法，由于转移技术的限制转移率不高势必会损耗较多原子。因此，实有必要提出一种技术手段，一方面可以提高MOT装载速率，另一方面可以增加陷俘的原子数量，达到可观的冷却原子的效果。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种应用于超冷镱原子系统产生双色磁光阱的方法，基于镱原子两级冷却跃迁，通过将使用中空蓝MOT结合绿MOT构成双色MOT，避免了转移过程中原子的损耗，以实现原子的高装载率、高原子数、低冷却温度的目的。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种应用于超冷镱原子系统产生双色磁光阱的方法，包括以下步骤：

步骤S1：在一层光路平台制备中空的蓝光MOT；

步骤S2：在一层光路平台利用声光调制器将光移频115MHZ，用+1级衍射光制备绿光MOT光束；

步骤S3：在一层光路平台使用偏振分光棱镜将已经制备好的中空的蓝光MOT和绿光MOT分别分为三束MOT光束，再利用分色镜分别进行合束；

步骤S4：在二层光路平台将合束后的光经过MOT主腔前的四分之一波片，将线偏振光变为圆偏振光；当光束出射MOT主腔后再次经过四分之一波片，并经过0°第四反射镜，从而在MOT主腔内X、Y、Z方向形成三对互相垂直的圆偏振的冷却激光束；

步骤S5：原子经过高温原子炉被加热，通过一个毛细管式喷嘴后以喷流束形式离开，经过自旋翻转的塞曼减速器被减速，并进入MOT主腔；

步骤S6：六束圆偏振冷却激光束在MOT主腔内两两对射，构成相互正交的σ

进一步地，所述MOT主腔为真空腔。

进一步地，步骤S1中所述制备中空蓝光MOT具体为：激光器发射光源，经过半波片和偏振分光棱镜确保光的偏振纯度；再经过声光调制器移频，使得频率符合实验要求；继而进入光纤，从而制备蓝光MOT光束；将光纤出来的光用一层光路平台的平凸透镜进行扩束，以达到实际光路中所需的束腰半径，经过锥透镜后产生中空蓝光MOT光束。

进一步地，所述MOT主腔的Z轴方向装有一对反亥姆霍兹线圈，Z轴正负方向线圈通有相反的电流，用于产生梯度磁场，形成MOT主腔磁场部分，且磁场强度的中心为零，由此确保原子能够被囚禁于MOT主腔中。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果至少包括：

1、本发明与现存的MOT光路设计方面最大的不同之处在于：本发明使用锥透镜制备中空的蓝光MOT，让绿光MOT填充入蓝光MOT中空部分，而未使用时序操控，极大地简化了实现冷却陷俘原子的过程。

2、本发明与现有的双色MOT比较而言，有如下独特的优势：

(1)光路设计方面：易于搭建，可灵活操作；

(2)适用性方面：不仅可以冷却Yb，还可适用于Er，Dy等能级结构相似的碱土类金属原子，有较广的适用面。

(3)冷却效果方面：装载速率可提高两个数量级，囚禁原子数可提高一个数量级，可有效的对原子进行冷却。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明的一层光路平台示意图；

图2为本发明的二层光路平台示意图；

图3为本发明的MOT主腔结构示意图；

图4为本发明的一个具体实施方式的镱原子冷却跃迁能级示意图。

附图标记说明：

1-钛宝石激光器，2-第一半波片，3-第一偏振分光棱镜，4-第二半波片，5-第一反射镜，6-第二反射镜，7-第二偏振分光棱镜，8-望远镜系统，9-声光调制器，10-圆孔光阑，11-第一四分之一波片，12-第三反射镜，13-0°第四反射镜，14-第五反射镜，15-光纤耦合器，16-第一平凸透镜，17-第六反射镜，18-第七反射镜，19-第一锥透镜，20-第八反射镜，21-第九反射镜，22-第二锥透镜，23-第十反射镜，24-第三半波片，25-第三偏振分光棱镜，26-第四半波片，27-第四偏振分光棱镜，28-第一分色镜，29-绿光光源，30-第二平凸透镜，31-第五半波片，32-第五偏振分光棱镜，33-第六半波片，34-第六偏振分光棱镜，35-第二分色镜，36-第十一反射镜，37-第三分色镜；

38-第二四分之一波片，39-第十二反射镜，40-第三四分之一波片，41-第十三反射镜，42-真空腔；

43-第一反亥姆霍兹线圈，44-第二反亥姆霍兹线圈，45-已合束的六束激光。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

需要说明，本发明实施例中所使用的具体参数或数量，仅仅是本发明实施例中所使用的几组可能的或较优的搭配，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

实施例1

图1给出了本发明的一层光路平台示意图，图2给出了本发明的二层光路平台示意图；图3给出了本发明的MOT主腔结构示意图。

如图1-3所示，本发明提供了一种应用于超冷镱原子系统产生双色磁光阱的方法，包括以下步骤：

步骤S1：在一层光路平台制备中空的蓝光MOT；

步骤S2：在一层光路平台利用声光调制器将光移频115MHZ，用+1级衍射光制备绿光MOT光束；

步骤S3：在一层光路平台使用偏振分光棱镜将已经制备好的中空的蓝光MOT和绿光MOT分别分为三束MOT光束，再利用分色镜分别进行合束；

步骤S4：在二层光路平台将合束后的光经过MOT主腔前的四分之一波片，将线偏振光变为圆偏振光；当光束出射MOT主腔后再次经过四分之一波片，并经过0°第四反射镜，0°第四反射镜将光束反射回MOT主腔，从而在MOT主腔内X、Y、Z方向形成三对互相垂直的圆偏振的冷却激光束；

步骤S5：原子经过高温原子炉被加热，通过一个毛细管式喷嘴后以喷流束形式离开，经过自旋翻转的塞曼减速器被减速，并进入MOT主腔；

步骤S6：六束圆偏振冷却激光束在MOT主腔内两两对射，构成相互正交的σ+-σ-光路，形成光学粘团，起到陷俘作用，原子由此受到三维阻尼力的作用。

进一步地，所述MOT主腔为真空腔。

本发明一种优选实施例中，步骤S1中所述制备中空蓝光MOT具体为：激光器发射光源，经过半波片和偏振分光棱镜确保光的偏振纯度；再经过声光调制器移频，使得频率符合实验要求；继而进入光纤，从而制备蓝光MOT光束；将光纤出来的光用平凸透镜进行扩束，以达到实际光路中所需的束腰半径，经过锥透镜后产生中空蓝光MOT光束。

本发明一种优选实施例中，为冷却原子，需要加磁场构成势阱将原子进行囚禁，因此，如图3所示，所述MOT主腔的Z轴方向装有一对反亥姆霍兹线圈，Z轴正负方向线圈通有相反的电流，用于产生梯度磁场，形成MOT主腔磁场部分，且磁场强度的中心为零，原子由此受到指向中心的回复力，由此确保原子能够被囚禁于MOT主腔中。

实施例2

图1给出了本发明的一层光路平台示意图，图2给出了本发明的二层光路平台示意图；如图1和图2所示，本发明一种优选实施例中，中空蓝光MOT的光路为：

钛宝石激光器1发射波长为399nm的蓝光光源，依次经过第一半波片2，第一偏振分光棱镜3，然后经过第二半波片4进行分光，然后经过第一反射镜5，第二反射镜6，第二偏振分光棱镜7，望远镜系统8，声光调制器9，圆孔光阑10，第一四分之一波片11，第三反射镜12，0°第四反射镜13，第五反射镜14，此部分光路采用douoble pass，以获取高效率的衍射光，利用声光调制器将光移频150MHZ，用+2级衍射光产生399nm的蓝光MOT光束；

蓝光MOT光束再经过光纤耦合器15，然后经过平凸透镜16进行扩束，然后经过第六反射镜17，第七反射镜18，第一锥透镜19，第八反射镜20，第九反射镜21，第二锥透镜22，此部分光路用于产生中空的MOT光束，其中为对产生的中空光束进行准直，在第二面锥透镜选用一维平移台来微调两面锥透镜之间的距离。通过一些成像系统来调节中空光束尺寸，以及实验所要求的传输距离；

在后续实验步骤中，需要将制备好的中空蓝光MOT光束依次经过第十反射镜23，第三半波片24，第三偏振分光棱镜25，第四半波片26，第四偏振分光棱镜27，将光分为三束；然后经过第一分色镜28，将蓝光MOT光束和绿光MOT光束进行合束；以上所述即为399nm的中空蓝光MOT光束在一层平台的光路部分。

以下所述为556nm的绿光MOT光束在一层光路平台的光路部分，激光器发射556nm绿光光源29依次经过平凸透镜30，将光进行扩束；依次经过第五半波片31，第五偏振分光棱镜32，第六半波片33，第六偏振分光棱镜34，第二分色镜35，第十一反射镜36，将光分为三束；第三分色镜37，考虑到某些光学元件对于实验要求的限制，此部分光路用于将已制备好的中空蓝MOT光束与绿MOT光束各自分为用于入射于真空腔的三束光，再进行分别合光处理。

实施例3

如图1和图2所示，本发明一种优选实施例中，二层光路平台的光路为：

将制备好的中空的蓝光MOT和绿光MOT依次经过第二四分之一波片38，39-第十二反射镜39，第三四分之一波片40，第十三反射镜41，这是一维其他两个方向的用于形成三对正交的圆偏振光，用于形成光学粘团；在真空腔42中选用激光级石英窗镜，每个面镀有增透膜，且腔体之间采用刀口式法兰进行密封。

实施例4

本发明所述的应用于超冷镱原子系统的双色MOT，具有独特优势，所实现的技术效果可以通过能级图加以阐述。

图4为镱原子冷却跃迁能级示意图，如图4所示，本发明一个具体实施例中，采用波长399nm的蓝光实现镱原子的

综上所述，本发明实现双色MOT的基本工作原理是：将制备的399nm中空蓝光MOT光束与556nm绿光MOT光束结合起来，形成六束冷却光，然后在MOT腔内两两对射，构成相互正交的σ

与现有技术相比，本发明至少具有如下优势效果：使用锥透镜制备中空的蓝光MOT，让绿光MOT填充入蓝光MOT中空部分，而未使用时序操控，极大地简化了实现冷却陷俘原子的过程；光路易于搭建，操作灵活；不仅可以冷却Yb原子，还可适用于Er、Dy等能级结构相似的碱土类金属原子，适用较为广泛；与已有的两极转移双色磁光阱相比，装载速率提高，囚禁原子数增加，可有效的对原子进行冷却。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。