[发明专利]塞曼减速仪、用于塞曼减速仪器件的线圈和用于冷却原子束的方法

说明书

技术领域

本发明涉及塞曼减速仪(Zeeman-slower)、布置在塞曼减速仪器 件中的线圈以及用于冷却原子束的方法。

发明背景

塞曼减速仪包括产生纵向减少磁场的线圈和降低原子的纵向速度 的激光。这种效应还称为激光冷却。为了降低原子的横向速度，处于 线圈下游的另外的激光器件在一个或两个横向方向上降低了原子的横 向速度，从而提供原子束的横向准直。Yoshiteru Kondo等人在应用物 理日文期刊(Japanese Journal of applied physics)第36卷第1部分第2 期第905-909页上发表的公开文献“Influence of the magnetic field  gradient on the extraction of slow sodium atoms outside the solenoid in the  Zeeman-slower”中，描述了一种用于冷却原子束的冷却装置，其中塞 曼减速仪提供了纵向减速。在布置在螺线圈或线圈下游的第二级 (stage)中，在横向上对原子进行减速。

在已知激光冷却装置中，使用了至少两个分离的激光冷却装备， 一个用于纵向冷却，一个用于横向冷却，它们都必须与原子束对齐。 加热室(oven)产生热原子束，该热原子束在第一线圈中被纵向减速。 在第一纵向减速之后，执行横向减速。然而，仅仅与第一线圈的通道 相匹配的方向的原子能够进一步被第二线圈减速。这限制了由塞曼减 速仪提供的原子通量，从而导致了如果用于沉积的话较长处理间隔。 因此，本发明的目的是提供允许较高原子通量的塞曼减速仪。

发明内容

这个目的是通过根据本发明的塞曼减速仪、本发明的线圈、本发 明的用于冷却原子束的方法来解决。

根据本发明的实施例的塞曼减速仪具有冷却部分，冷却部分包括 沿纵轴延伸的内部通道，内部通道具有与纵轴垂直的横截面。依据本 发明，至少在冷却部分中内部通道的横截面的面积沿纵轴单调增加。 在本发明的意思中“单调”增加既覆盖“严格单调”增加，即在沿纵 轴行进时真正的增加横截面积，而没有任何恒定的横截面积，和一般 的单调增加以及更宽意义上的单调增加，即覆盖两个部分，严格增加， 但是或许在沿着纵轴的某面积或区域处横截面的面积保持恒定。

在本发明的意思中“内部通道”必须被理解为由线圈的内侧所围 绕的完整物理空间。另外，磁场的纵向分量是沿着内部通道的纵轴L 的磁场的分量。

沿冷却部分的该延伸通道考虑了由加热室所发射的原子束的延 伸。沿纵轴从输入端开始至输出端的通道的单调增加确保了：与纵轴 不同方向的原子也能够对通量作出贡献。由于加热室在任意方向发射 原子，因此在塞曼减速仪的输出处提供了较大数目的原子。具体地， 通过象现有技术的塞曼减速仪的通道的内部表面，在与纵轴倾斜的方 向上传送的原子没有被停止。而是，能够提供具有更大输出直径的射 束，从而带来更高的通量。

优选地，冷却部分沿纵轴从输入端延伸到输出端，其中在输出端 处横截面的面积为输入端处横截面的面积的至少120％，从而允许总通 量的相当大的增加。

在一个实施例中，内部通道的横截面具有圆形形状，简化了线圈 的构造。有利地，塞曼减速仪包括围绕内部通道的线圈，以在纵轴方 向提供内部通道中的磁场，其中磁场沿纵轴单调减少，以及在垂直纵 轴的平面中在冷却部分中基本上是匀质的。这样的磁场在由通道所定 义的整个体积上提供了恒定的状况，从而增加了冷却性能。

在一个实施例中，塞曼减速仪包括邻近输出端且被布置成用来产 生磁场的至少一个抽取线圈，所述磁场基本上不同于在输出端附近在 内部通道中由围绕内部通道的线圈所产生的磁场。直接在减速仪的输 出之后的抽取线圈的布置可突然结束冷却状况，使得冷却仅仅发生在 通道中且在通道外侧受到抑制。当然，抽取线圈的磁场与布置在通道 周围的线圈的磁场相组合，使得在设计塞曼减速仪时必须考虑这两者 的磁场。抽取线圈也被称为反相线圈。优选地，由抽出线圈所产生的 磁场与围绕该通道的线圈的磁场相反。