[发明专利]一种调控原子光栅的反射系数和相位的方法

说明书

本发明涉及了一种调控原子光栅反射系数和相位的方法，其特征是通过操控原子光栅形成过程中激光的参数来实现对原子光栅反射系数和相位的调控，其中，原子光栅的反射系数是通过控制激光与原子作用时间长度来实现的，原子光栅的相位是通过控制激光的频率变化引起的相移来实现的，本发明可实现原子光栅反射系数和原子光栅相位的连续、精确调节，同时可以实现原子光栅反射系数和相位的独立调节，另外，本发明不涉及机械结构的运动，避免了由此引起的振动、磁滞误差、回程误差，具有调控方法简便、可连续调控、调控精度高、调节重复度高等优点，可用于精密测量中原子光栅的调控。

技术领域

本发明涉及了原子光学仪器技术领域，尤其涉及了一种原子光栅的反射系数和相位的调控方法，可用于精密测量中原子光栅的调控。

背景技术

光子晶体是一种周期性的纳米结构，它可以像半导体操控电子那样对光子进行操控，近30年来得到了大力的发展。根据结构特点的不同，光子晶体可分为一维、二维和三维。其中，一维光子晶体，通常指布拉格光栅，通常采用纳米加工工艺制作，包括蚀刻和自组装，或是两种方法结合。在一维布拉格光栅中，光栅周期接近可见光至近红外范围的光栅在光学、通信、生物医药和精密测量方面有着广泛而重要的应用。在这些实际应用中，需要对光栅的反射系数、周期和相位进行优化和调整。其中，反射系数和周期的调整通过控制制作光栅工艺的相关参数来实现，相位的调整则采用高精密机械平移台来实现。然而，重新制作光栅所需的步骤比较复杂，耗时较长，导致对光栅周期和反射系数的调整所需的成本增加；同时，高精密机械平移台在移动过程中不免存在震动和磁滞现象，导致相位调控的重复性变差。最近10年来，随着量子光学、原子物理研究的逐渐深入，采用原子干涉仪可以构建基于原子的布拉格光栅。这种原子光栅采用Talbot-Lau原子干涉仪进行实现：首先将原子，一般是碱金属原子或碱土金属原子，进行冷却形成相干冷原子源，其温度降低至多普勒冷却极限甚至更低至形成玻色爱因斯坦凝聚态；再利用两束对射的激光构成驻波脉冲对冷却后的原子源进行衍射，经过间隔为T的两次驻波脉冲的衍射之后，原子光栅在2T时刻形成，持续时间在μs量级，其光栅周期为激光驻波的周期λ/2，λ为构成驻波的激光波长。虽然这种原子光栅的持续时间较短，但此种光栅制作简易、耗时短(约1s)，可通过重复制作来实现长时间的测量应用。而且，通过控制驻波激光波长λ，可以对原子光栅的周期λ/2进行改变；还可通过控制相干时间等方法，形成周期为λ/4，λ/8等高阶原子光栅，满足实际应用中对于光栅周期的调节要求。在光栅的反射系数调控方面，通过改变一、二驻波脉冲的时间间隔T，可以对光栅的反射系数进行调控，但与此同时，原子在两脉冲间隔之间的演化也发生变化，导致原子光栅的相位变化，这与实际应用中可以分别调节光栅的反射系数和相位的要求不符。

发明内容

本发明解决的问题是，提出了一种单独调控原子光栅反射系数和相位的方法。

本发明的解决方案为：

首先利用两脉冲Talbot-Lau原子干涉仪形成原子光栅，两脉冲分别为第一驻波脉冲和第二驻波脉冲；其特征在于：

通过控制第二驻波脉冲的作用时间来调控原子光栅的反射系数；原子光栅的反射系数R与原子光栅的幅度ρ(x,△t)成正比，关系式为：

其中Δt＝t-2T是原子光栅存在的时间窗口，t是原子光栅演化时间，T是第一驻波脉冲和第二驻波脉冲之间的时间间隔，u是原子样本沿x轴的最概然速率，Q是形成干涉仪的衍射驻波脉冲的等效波矢，J₂(x)是二阶贝塞尔函数，Θ₂＝Ωτ是第二脉冲的作用面积，τ是第二驻波脉冲的作用时间，Ω是双光子拉比振荡频率，ω_Q是原子的双光子反冲震荡频率，φ是原子光栅的相位；通过改变第二驻波脉冲的作用时间τ来改变第二脉冲的作用面积Θ₂，从而改变原子光栅的反射系数R；

通过控制第二驻波脉冲相对于第一驻波脉冲的相位变化，来调控原子光栅的相位；原子光栅的相位公式为：