[发明专利]基于单个囚禁离子的单光子源

摘要

本发明公开了基于单个囚禁离子的单光子源，包括真空室、离子阱芯片和钙原子炉，离子阱芯片包括掺砷硅基片、第一二氧化硅层和第二二氧化硅层，掺砷硅基片上设置有基片通孔，基片通孔的相对的侧壁分别设置有光纤固定槽，两个光纤固定槽内分别设置有共光轴的两个多模光纤，两个多模光纤的相对的端面为凹面，凹面的表面设置介质膜，两个多模光纤的凹面的焦点重合，两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔，本发明实现单个离子的多普勒极限冷却。单光子源具有很高的产生效率。便于与现有的光通信系统连接。使制备的单光子线宽达到离子能级跃迁的自然线宽。

主权项

基于单个囚禁离子的单光子源产生方法，利用基于单个囚禁离子的单光子源，基于单个囚禁离子的单光子源包括真空室(8)，其特征在于，基于单个囚禁离子的单光子源还包括设置在真空室(8)内的离子阱芯片(9)和钙原子炉(14)，离子阱芯片(9)包括掺砷硅基片(30)和分别设置在掺砷硅基片(30)两面的第一二氧化硅层(31)和第二二氧化硅层(32)，掺砷硅基片(30)上设置有基片通孔(27)，基片通孔(27)的相对的两个侧壁上分别设置有光纤固定槽(20)，两个光纤固定槽(20)内分别设置有两个多模光纤(3)，两个多模光纤(3)的相对端共光轴，两个多模光纤(3)的相对的端面为凹面，两个多模光纤的凹面的焦点重合，两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔(21)，光学微腔(21)的焦点与两个多模光纤的凹面的焦点重合，第一二氧化硅层(31)上位于基片通孔(27)的部分开设有第一二氧化硅层通孔(26)，第二二氧化硅层(32)上位于基片通孔(27)的部分开设有第二二氧化硅层通孔(28)，第一二氧化硅层(31)和第二二氧化硅层(32)上设置有用于在光学微腔(21)内形成直流控制电场的直流电极(18)、用于在光学微腔(21)内形成射频囚禁电场的射频电极(19)以及用于在光学微腔(21)内形成直流控制补偿电场的微运动补偿电极(25)，微运动补偿电极(25)和直流电极(18)均为10个，射频电极(19)为2个，5个直流电极(18)设置在第一二氧化硅层通孔(26)的一侧，5个微运动补偿电极(25)和1个射频电极(19)设置在第一二氧化硅层通孔(26)的另一对侧，另外5个直流电极(18)设置在第二二氧化硅层通孔(28)的一侧，另外5个微运动补偿电极(25)和另外1个射频电极(19)设置在第二二氧化硅层通孔(28)的另一对侧，第一二氧化硅层通孔(26)的一侧的5个直流电极(18)和第二二氧化硅层通孔(28)的一侧的5个直流电极(18)分别位于光学微腔(21)的两侧，第一二氧化硅层通孔(26)和第二二氧化硅层通孔(28)的横截面小于基片通孔(27)的横截面，离子阱芯片(9)固定在滤波电路板(15)上的芯片放置孔(29)内，滤波电路板(15)固定在芯片支撑架(13)上，钙原子炉(14)固定在芯片支撑架(13)上，芯片支撑架(13)固定在直流馈通(12)上，滤波电路板(15)上设置有一阶无源RC滤波电路和射频导线，直流电极(18)和微运动补偿电极(25)均通过一阶无源RC滤波电路与直流馈通(12)连接，射频电极(19)通过射频导线与射频馈通(2)连接，两个多模光纤分别与光纤馈通(6)连接，真空室(8)上沿同一分布圆周均匀设置有第一CF35接口～第八CF35接口，真空室(8)上还设置有第一CF100接口和第二CF100接口，第一CF35接口上设置有用于入射光电离激光和冷却激光到光学微腔(21)的焦点的通光窗口(5)，第三CF35接口上设置有用于入射单光子产生激光到光学微腔(21)的焦点的通光窗口(5)，第五CF35接口和第七CF35接口上分别安装通光窗口(5)，第四CF35接口和第八CF35接口上均安装光纤馈通(6)，在第二CF35接口上安装射频馈通(2)，第六CF35接口通过4通真空连接器(24)分别与离子泵(11)、升华泵(10)和真空角阀(23)连接，具体步骤为：步骤1、对钙原子炉(14)通电加热，钙原子炉(14)产生钙原子蒸气，钙原子蒸气扩散到光学微腔(21)内；步骤2、从第一CF35接口的通光窗口(5)入射光电离激光和冷却激光到光学微腔(21)，光电离激光与钙原子相互作用下，产生一价钙离子，光电离激光的波长为423nm和375nm，冷却激光的波长为397nm和866nm；步骤3、射频源在2个射频电极(19)加载频率范围为15MHz～30MHz,峰峰范围为100Vp‑p～400Vp‑p的电压，直流电压源在直流电极(18)上加载的直流电压范围为20V～60V，在射频电极(19)产生的射频囚禁电场和直流电极(18)产生的直流控制电场的作用下在光学微腔(21)内产生囚禁场，产生的一价钙离子被囚禁在囚禁场中，被囚禁的一价钙离子在第一CF35接口的通光窗口(5)入射的冷却激光作用下，同时通过调节微运动补偿电极(25)上的直流电压，进而调节加载在光学微腔(21)内的补偿直流控制电场，将一价钙离子调节到光学微腔(21)的焦点处，并将一价钙离子冷却到5mK以下，步骤4、关闭从第一CF35接口的通光窗口(5)入射的光电离激光和冷却激光，将单光子产生激光通过第三CF35接口入射到光学微腔(21)内，单光子产生激光的波长为732nm和866nm，囚禁的一价钙离子自发辐射出波长为397nm单光子，波长为397nm单光子在光学微腔的作用下，通过多模光纤耦合输出。