一种紧凑的二维磁光阱装置

技术领域

本发明涉及原子传感技术领域，更具体的涉及一种紧凑的二维磁光阱装置。

背景技术

原子激光冷却技术被广泛应用于原子干涉仪，原子钟和原子磁力计等原子传感领域。原子传感器中散粒噪声主要来受限于原子数目。为降低散粒噪声，原子传感器需要增加测量中的原子数目。为了增加激光冷却中的原子数目，需要制备低速、高通量的原子束以增加磁光阱的捕获效率。制备低速高通量原子一般采用塞曼冷却技术或者二维磁光阱技术来实现。如Thomas H.Loftus等人采用永磁铁技术，发明了一种集成化的塞曼冷却装置(Permanent magnet axial field Zeeman slower，US 8,710,428 B1，2014年)。塞曼冷却技术具有体积紧凑，原子通量大等优点，但是该技术只能冷却纵向方向的原子速度，会影响后期向三维磁光阱中的装载效率。与塞曼冷却技术相比，二维磁光阱能够同时冷却横向方向的原子速度，更适合为三维磁光阱提供低速高通量的原子束。二维磁光阱技术被广泛应用于原子传感技术领域。为提高原子通量，J.R.Kellogg等人采用倾斜的冷却激光光束(Acompact high-efficiency cold atom beam source，Appl.Phys.B第109卷，61，2012年)，可以节省普通二维磁光阱中的推载光，实现了小型化的二维磁光阱。尽管如此，针对实际应用中对于紧凑型器件的需求，二维磁光阱仍有改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中紧凑型二维磁光阱的需求，提供一种小型化的二维磁光阱装置。本发明利用五面体的玻璃腔体，可以简化二维磁光阱构造，降低装置尺寸和功耗，提升稳定性。相比于之前的二维磁光阱方案，本发明利用单束光即可实现二维磁光阱功能，极大地简化了系统，可以应用于原子传感技术和原子钟等领域。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种紧凑的二维磁光阱装置，包括主玻璃腔体，主玻璃腔体为横截面为五边形的柱体，主玻璃腔体的五个侧面依次为第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面和第五侧面，第一侧面上设置有透射窗片，第二侧面上设置有第二反射窗片，第四侧面上设置有第一反射窗片，第五侧面上设置有第三反射窗片，

横向冷却激光通过透射窗片进入主玻璃腔体后，经过第一反射窗片反射形成第一反射冷却激光，第一反射冷却激光入射第二反射窗片，经第二反射窗片反射后形成第二反射冷却激光，第二反射冷却激光与横向冷却激光垂直，第二反射冷却激光经四分之一波片后入射第三反射窗片，经第三反射窗片反射后再经过四分之一波片后形成第三反射冷却激光，第三反射冷却激光与横向冷却激光垂直，第二反射冷却激光和第三反射冷却激光均经过位于主玻璃腔体内的二维磁光阱。

如上所述第一侧面与第二侧面之间的夹角为90°，第二侧面与第三侧面之间的夹角为112.5°，第三侧面与第四侧面之间的夹角为112.5°，第四侧面与第五侧面之间的夹角为112.5°，第五侧面与第一侧面之间的夹角为112.5°，横向冷却激光垂直于第一侧面。

如上所述主玻璃腔体设置在磁屏蔽内，

磁屏蔽内还设置有第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体，

第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体位于正方形的四个顶角，

第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体的磁化方向均指向二维磁光阱中心。

一种紧凑的二维磁光阱装置，包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜和第五分光棱镜，

主激光光源通过第一分光棱镜分为第一反射光和第一透射光，第一透射光为推载激光，第一反射光为源冷却激光，推载激光经过第二分光棱镜反射后沿主玻璃腔体轴向传播，经过第二分光棱镜反射后推载激光的光束轴线与二维磁光阱的轴线重合，源冷却激光入射第三分光棱镜后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光作为第一束横向冷却激光，第二透射光入射第四分光棱镜后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光作为第二束横向冷却激光，第三透射光经第五分光棱镜反射形成第三束横向冷却激光。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提出了一种紧凑型的二维磁光阱装置，能够利用单束激光实现原子的二维激光冷却，激光在真空系统内部进行传播反射，相比于传统方法可以降低窗片传播引起的功率损耗，使该装置可以在简化二维磁光阱装置的同时降低功耗，本发明可以应用于高精度原子惯性传感技术和原子钟等领域，提高传感器集成化水平。

附图说明

图1为本发明的玻璃腔体的结构示意图；

图2为本发明的磁场系统的结构示意图；

图3为本发明的分光系统的结构示意图。

图中：100：主玻璃腔体，101：二维磁光阱，102：横向冷却激光，103：透射窗片，104：第一反射窗片，105：第二反射窗片，106：第三反射窗片，107：四分之一波片，100a：第一侧面，100b：第二侧面，100c：第三侧面，100d：第四侧面，100e：第四侧面；

200：第一永磁体，201：第二永磁体，202：第三永磁体，203：第四永磁体，204：磁屏蔽；

300：第一分光棱镜，301：第二分光棱镜，302：第三分光棱镜，303：第四分光棱镜，304：第五分光棱镜，305：主激光光源，306：推载激光，307：源冷却激光。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一、总体

一束激光经过分光后分别用于冷却激光和推载激光，冷却激光在五面体玻璃腔体中反射三次，可以实现两对相互垂直的冷却激光，玻璃腔体外侧固定两对永磁体，以提供二维冷却所需的磁场梯度，整个系统固定在一个磁屏蔽内，可以实现紧凑，低功耗的二维磁光阱装置。

本发明包括磁场系统，分光系统，玻璃腔体。

如图1，玻璃腔体包括主玻璃腔体100，横向冷却激光102，透射窗片103，第一反射窗片104，第二反射窗片105，第三反射窗片106和四分之一波片107。

如图2，磁场系统包括第一永磁体200；第二永磁体201；第三永磁体202；第四永磁体203；磁屏蔽204，二维磁光阱101。

如图3，分光系统包括第一分光棱镜300；第二分光棱镜301；第三分光棱镜302；第四分光棱镜303；第五分光棱镜304；总光源305；推载激光306；横向源冷却激光307。

其位置和连接关系是：

如图1所示，主玻璃腔体100是一个横截面为五边形的柱体，主玻璃腔体100的五个侧面依次为第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面和第五侧面，第一侧面与第二侧面之间的夹角为90°，第二侧面与第三侧面之间的夹角为112.5°，第三侧面与第四侧面之间的夹角为112.5°，第四侧面与第五侧面之间的夹角为112.5°，第五侧面与第一侧面之间的夹角为112.5°，横向冷却激光102垂直于第一侧面。

第一侧面上设置有透射窗片103，第二侧面上设置有第二反射窗片105，第四侧面上设置有第一反射窗片104，第五侧面上设置有第三反射窗片106，主玻璃腔体100通过真空技术密封，其内部维持在真空环境中，主玻璃腔体100中存放碱金属源。

如图2，磁屏蔽204是一个横截面为正方形，或八边形或者圆形的柱体(不失一般性，实施例中选择正方形)，磁屏蔽204的中心轴线与二维磁光阱101的轴线重合。磁屏蔽204的四个角固定四个永磁体，其中第一永磁体200磁化方向指向二维磁光阱中心，第二永磁体201磁化方向指向二维磁光阱中心，第三永磁体202磁化方向指向二维磁光阱中心，第四永磁体200磁化方向指向二维磁光阱中心。

如图3，主激光光源305通过第一分光棱镜300分为第一反射光和第一透射光，第一透射光为推载激光306，第一反射光为源冷却激光307。推载激光306经过第二分光棱镜301反射后沿主玻璃腔体100轴向传播，经过第二分光棱镜301反射后推载激光306的光束轴线与二维磁光阱101的轴线重合。源冷却激光307入射第三分光棱镜302后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光作为第一束横向冷却激光102，第二透射光入射第四分光棱镜303后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光作为第二束横向冷却激光102，第三透射光经第五分光棱镜304反射形成第三束横向冷却激光102。每束横向冷却激光102通过透射窗片103进入主玻璃腔体100中，在第一反射窗片104、第二反射窗片105、第三反射窗片106的作用下形成两对垂直的横向冷却激光。

二、功能部件

下面所述的功能部件为常用标准件。

1、主玻璃腔体100

主玻璃腔体100是一种利用可传播激光的材料制成的框架，比如熔融石英，K9玻璃，零膨胀玻璃，微晶玻璃等。

2、碱金属源

可用于激光冷却的原子，比如铷，钠，铯等。

3、第一反射窗片104，第二反射窗片105和第三反射窗片106

第一反射窗片104，第二反射窗片105和第三反射窗片106采用与主玻璃腔体100相同材料制成，表面镀高反膜。

3、透射窗片103

透射窗片103采用与主玻璃腔体100相同的材料制成，表面镀增透膜。

4、四分之一波片107

四分之一波片107是一种利用双折射晶体制成的玻璃器件，可以实现对激光偏振的调节。

5、第一永磁体200，第二永磁体201，第三永磁体202和第四永磁体203

第一永磁体200，第二永磁体201，第三永磁体202和第四永磁体203是利用铝镍钴合金，铁铬钴合金或者永磁铁氧体等永磁材料制成的永磁体。

6、磁屏蔽204

磁屏蔽204是利用铁铝合金和坡莫合金等高磁导率材料制成的罩体。

7、第一分光棱镜300，第二分光棱镜301，第三分光棱镜302，第四分光棱镜303和第五分光棱镜304

第一分光棱镜300，第二分光棱镜301，第三分光棱镜302，第四分光棱镜303和第五分光棱镜304是利用K9或者熔融石英等材料制成的分光器件，可以是分光器件，也可以是波片与偏振分光器件的组合器件。

三、工作原理

下面详细阐述本发明的工作原理。

本发明的工作原理是基于五面体反射窗片可以实现垂直传播的激光对，用以在二维磁光阱中实现单光束二维激光冷却。

如图1所示，主玻璃腔体100是一个截面为五边形的柱体，当横向冷却激光102通过透射窗片103进入主玻璃腔体100后，经过第一反射窗片104反射形成第一反射冷却激光，第一反射冷却激光入射第二反射窗片105，经第二反射窗片105反射后形成第二反射冷却激光，第二反射冷却激光与横向冷却激光102垂直，第二反射冷却激光经四分之一波片107后入射第三反射窗片106，经第三反射窗片106反射后再经过四分之一波片107后形成第三反射冷却激光，第三反射冷却激光与横向冷却激光102垂直，第二反射冷却激光和第三反射冷却激光均经过位于主玻璃腔体100内的二维磁光阱101。

如图2所示，磁屏蔽204的截面中心位置与二维磁光阱101的截面中心重合，磁屏蔽204的四个角固定四个永磁体。第一永磁体200，第二永磁体201，第三永磁体202和第四永磁体203的磁化方向沿磁屏蔽204的对角线方向，并与横向冷却激光的偏振相匹配。整个系统被磁屏蔽204包裹，屏蔽外部磁场对于二维冷却的影响。

如图3所示，

主激光光源305通过分第一分光棱镜300分为第一反射光和第一透射光，第一透射光为推载激光306，第一反射光为源冷却激光307。推载激光306经过第二分光棱镜301反射后沿主玻璃腔体100轴向传播，经过第二分光棱镜301反射后推载激光306的光束轴线与二维磁光阱101的轴线重合。源冷却激光307入射第三分光棱镜302后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光作为第一束横向冷却激光102，第二透射光入射第四分光棱镜303后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光作为第二束横向冷却激光102，第三透射光经第五分光棱镜304反射形成第三束横向冷却激光102。以增加原子捕获几率。每束横向冷却激光102通过透射窗片103进入主玻璃腔体100中，在第一反射窗片104、第二反射窗片105、第三反射窗片106的作用下形成两对垂直的横向冷却激光。推载激光306和横向冷却激光102与第一永磁体200，第二永磁体201，第三永磁体202和第三永磁体203提供的梯度磁场相结合，对原子进行二维冷却，形成低速高通量的原子束流。

原子干涉仪中原子的激光冷却，真空技术为通用技术,本专利中不详细论述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。