[发明专利]一种平顶光束二维磁光阱

说明书

本发明涉及原子传感技术领域，具体涉及一种平顶光束二维磁光阱，用于解决现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处。该平顶光束二维磁光阱包括超高真空腔体、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，本发明在冷却囚禁激光光路系统中采用非球面光学元件，使冷却与囚禁激光束被整形为横截面为矩形的匀强激光束，且在光束横截面上光偏振态一致。

技术领域

本发明涉及原子传感技术领域，具体涉及一种平顶光束二维磁光阱。

背景技术

在冷原子研究领域，制备出大数量、低温度的冷原子源是开展相关研究的前提。磁光阱(Magneto Optical Trap，MOT)是制备冷原子源的有效途径，磁光阱在装载原子过程中，如果背景真空度较高，则此时原子背景蒸汽压较小，初始装载速率慢，达到平衡状态的原子数也比较少，但由于其背景碰撞小，原子团寿命较长；如果背景真空度较低，则原子背景蒸汽压较大，此时装载速率快，达到平衡状态的原子数较多，但由于其过高的背景碰撞率，使其原子团寿命迅速变短。为了解决上述难题，研究者提出了采用三维磁光阱(3D-MOT)和二维磁光阱(2D-MOT)结合使用的方法实现大通量、长寿命的原子团。具体方式为采用低真空的二维磁光阱(通常≥10^-6帕)对原子预冷却以获得高的冷原子数，然后预冷却的原子团通过连接两磁光阱的真空差分管道导入高真空的3D-MOT(优于10^-7帕)进一步冷却获得更长寿命的冷原子团。

二维磁光阱结构特点是由两对正交的激光束、两对矩形反亥姆霍兹线圈以及四面通光的真空仓组成。两对矩形反亥姆霍兹线圈通电后产生有一条零磁场线的二维的四极磁场，其中冷原子被囚禁在沿长对称轴的零磁场线周围，因此二维磁光阱中原子的冷却和囚禁仅在二维上发生，沿着原子可以自由移动的长对称轴不存在冷却和囚禁。为了增加二维磁光阱冷却原子束的通量，一般采取的途径是增加冷却区的长度，其中最常用的办法是通过增加棱镜数量并使之与半玻片配合分光，成为多级冷却，由于相邻棱镜之间需要放置半玻片所以形成了没有冷原子束产生的无效区域，使得二维磁光阱在轴线方向上的体积难以减小，难以小型化。此外增加冷却区的长度就会增加λ/2玻片、λ/4玻片、偏振分光棱镜的数量，造成安装与调节方面的困难，进而使得整个二维磁光阱对外部环境的振动和温度变化比较敏感，大大降低系统工作时的可靠性。

图1为现有二维磁光阱三级冷却系统结构的平面示意图，为方便起见图中只显示一个方向(z方向)的光学系统布置结构，另一方向(x方向)光学系统布置方式与之完全相同，产生的冷原子束沿y方向分布。该二维磁光阱三级冷却系统包括保偏光纤1、准直扩束器2、λ/2玻片3、偏振分光棱镜4、λ/2玻片5、偏振分光棱镜6、45度反射镜8、法兰管11、磁场线圈10、磁场线圈12、λ/4玻片9、λ/4玻片7、λ/4玻片20、λ/4玻片13、λ/4玻片15、λ/4玻片18、0度反射镜14、0度反射镜16、0度反射镜17和真空腔体19。从图1可以看到，该多级二维磁光阱结构复杂、光学元件多、冷原子束在轴向空间上被间断为三部分，每个冷却级之间存在较大的无效区域。

为了解决以上二维磁光阱多级冷却结构存在的问题，研究人员提出采用光学整形的办法即将冷却光束的光斑由圆形变为大纵横比的椭圆光斑(Appl.Phys.B(2012)109:61–64)，以增加冷却光斑的长度，这种方式有效的消除了多级冷却方式存在的元件过多、调节困难、级间存在无效区域的问题，由于光学元件数量显著减少，二维磁光阱的可靠性大大提高。但与二维磁光阱多级冷却结构相同的是采用该方式后，在椭圆光斑的长轴和短轴方向的光强分布仍然均为高斯分布，因此产生的线状冷原子束两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处，而提供一种平顶光束二维磁光阱。