一种使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统

技术领域

本发明涉及冷原子干涉精密测量技术领域中冷原子重力梯度仪相关结构，具体涉及一种使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统。

背景技术

冷原子干涉技术在近20年来发展迅速，其被广泛应用于精密测量物理和基础物理研究，并取得了丰硕成果。冷原子重力梯度仪因其理论精度高、低漂移、自校准、无机械磨损等优势，受到了广泛的关注。其基本工作原理为：两团冷原子团在同一π/2-π-π/2拉曼激光脉冲序列的作用下发生干涉；在不考虑环境振动条件下，两团原子的干涉条纹相移分别反应了其所处位置的重力加速度值；通过重力加速度值对位置的差分运算即可得到该方向上的重力梯度值。

由于冷原子重力梯度仪需要同步冷却与陷俘两团冷原子，而每团冷原子的制备通常需要6根光纤提供6束冷却光，因此冷原子重力梯度仪常需要使用12根光纤提供12束冷却激光。若考虑到原子干涉所需的拉曼激光与探测激光，则还需要更多数目的光纤。不同光纤的保偏性能、耦合效率、温漂特性等性能存在些许不同，因此很难在环境条件变化时保证所有冷却光偏振与强度的平衡，这会对冷原子重力梯度仪的共模噪声抑制能力产生影响，从而降低其测量精度与环境适应性。与此同时使用较多光纤会增加系统复杂度，不利于冷原子重力梯度仪的工程化、小型化。目前现有的单光束原子冷却陷俘方案存在冷却光利用效率低、原子装载速度慢等问题。

发明内容

基于上述表述，本发明提供了一种使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统，以解决现有冷原子重力梯度仪中原子冷却陷俘方案存在系统复杂度高、冷却光利用效率低、原子装载速度慢等技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统，其包括冷却光发射组件、真空腔体和原子冷却与陷俘组件；

所述冷却光发射组件用于发射圆偏振入射冷却光，所述入射冷却光可沿入射方向从所述真空腔体的第一端射入；

所述原子冷却与陷俘组件包括两个激光交汇点生成单元、一个激光逆反射单元和两个梯度磁场生成单元，两个所述激光交汇点生成单错位分布且沿激光入射方向间隔设置于所述真空腔内部，所述激光逆反射单元设置于所述真空腔体第二端，所述激光交汇点生成单元可使所述入射冷却光的外侧部分在垂直于入射方向的平面上垂直交汇，所述激光逆反射单元可使入射冷却光的中部部分沿入射方向的反方向反射，两个所述梯度磁场生成单元沿入射方向间隔设置于所述真空腔内部，并对应两个激光交汇点生成单元设置，以在两个冷却光交汇点处产生梯度磁场。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，每一所述激光交汇点生成单元包括四个两两对应设置的45°激光反射镜，相邻的45°激光反射镜的径向夹角为90°，每一所述45°激光反射镜设置于所述真空腔靠近外侧的位置，所述45°激光反射镜的反射面朝向所述第一端设置并与冷却光入射方向呈45°夹角。

进一步的，所述梯度磁场生成单元包括沿入射方向间隔设置的一对反亥姆霍兹线圈，所述一对反亥姆霍兹线圈对称设置于对应的激光交汇点生成单元的两侧。

进一步的，两个激光交汇点生成单元对应的45°激光反射镜交错设置，且所有的所述45°激光反射镜在垂直于入射方向的平面上的投影沿周向均匀分布。

进一步的，所述冷却光发射组件包括冷却光输入光纤、激光扩束准直器和第一四分之一玻片，所述冷却光输入光纤用于向所述激光扩束准直器输入原始冷却光，所述激光扩束准直器将所述原始冷却光扩束准直，所述第一四分之一玻片将扩束准直后的激光转换为圆偏振入射冷却光。

进一步的，所述激光逆反射单元包括沿所述真空腔体第二端附近依次设置的第二四分之一波片和0°激光反射镜。

进一步的，所述真空腔体的第一端和第二端均设置有玻璃窗口。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)本申请提供的使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统在使用时，通过激光交汇点生成单元构成垂直于入射方向的平面上的冷却光交汇，通过激光逆反射单元与入射方向重合的冷却光的交汇，进而构成两个冷却光交汇点，通过梯度磁场生成单元在冷却光交汇点处产生梯度磁场，进而形成两个磁光阱，实现双原子团的同步冷却与陷俘，该系统采用单束入射冷却光即可实现双原子团的同步冷却与陷俘，大幅降低了冷原子重力梯度仪的系统复杂度，提升其共模噪声抑制能力与环境适应性；

(2)本申请中将磁场线圈内置于真空腔体，使用较小电流即可产生较大磁场梯度，解决其他单光束磁光阱方案中原子装载效率低的问题；

(3)本申请中激光交汇点生成单元对应的45°激光反射镜交错设置，最大程度的利用全部入射冷却光，解决其他单光束磁光阱方案中冷却光利用效率低的问题，且无需使用半反半透镜。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中真空腔体和原子冷却与陷俘组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中45°激光反射镜的分布俯视示意图；

图4为本申请实施例中单个激光交汇点生成单元的光学原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90°或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

如图1至图4所示，本申请提供了一种使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统，其包括冷却光发射组件10、真空腔体20和原子冷却与陷俘组件30。

其中，冷却光发射组件10用于发射类型为圆偏振激光的入射冷却光，入射冷却光可沿入射方向从真空腔体20的第一端射入。

在本申请的实施例中，冷却光发射组件10包括冷却光输入光纤11、激光扩束准直器12和第一四分之一玻片13，冷却光输入光纤11用于向激光扩束准直器12输入原始冷却光，激光扩束准直器12将原始冷却光扩束准直，第一四分之一玻片13将扩束准直后的激光转换为圆偏振入射冷却光。

可以理解的是，入射方向可以根据实际使用场景的不同选择可实施的任意方向，为便于叙述，规定XY为水平面上的两个相互垂直的轴向，Z轴为水平面的法线轴向，其中Z方向为竖直朝上方向，优选的，在本实施例中，真空腔体为圆柱形腔，第一端为其上端，第二端为其下端，入射冷却光的入射方向为竖直向下，即-Z轴方向，则水平面为与入射方向垂直的平面，XY轴均为与入射方向垂直的方向。

其中，真空腔体20的第一端和第二端均设置有玻璃窗口201。

原子冷却与陷俘组件30包括两个激光交汇点生成单元31、一个激光逆反射单元32和两个梯度磁场生成单元33，两个激光交汇点生成单元31沿入射方向间隔设置于真空腔20内部，激光逆反射单元32设置于第二端，激光交汇点生成单元31可使入射冷却光的外侧部分在对应的水平面上垂直交汇，激光逆反射单元可使入射冷却光的中部部分沿Z方向反射，两个梯度磁场生成单元33对应两个激光交汇点生成单元31设置并在两个冷却光交汇点处产生梯度磁场。

在本实施例中，每一激光交汇点生成单元31包括四个两两对应设置的45°激光反射镜311，相邻的45°激光反射镜311的径向夹角为90°，例如，其中一对45°激光反射镜311在X轴上设置，另外一对45°激光反射镜311在Y轴上设置，每一45°激光反射镜311设置于真空腔20靠近外侧的位置，45°激光反射镜311的反射面朝向第一端设置并与Z轴呈45°夹角。

根据实际情况，激光逆反射单元32可以设置在真空腔体20内部也可以设置在真空腔体20外部，在本实施例中，激光逆反射单元32设置在真空腔体20外侧，具体的，激光逆反射单元32包括沿第二端依次设置的第二四分之一波片321和0°激光反射镜322。

梯度磁场生成单元33包括沿竖直方向间隔设置的一对反亥姆霍兹线圈，一对反亥姆霍兹线圈对称设置于对应的激光交汇点生成单元31的两侧。

当入射冷却光从上向下射入时，处于水平截面投影外侧的部分入射冷却光照射到45°激光反射镜311的反射面上，根据反射原理，其反射光束沿水平方向传播，由于四个45°激光反射镜311两两对应设置，反射光束构成方向垂直的两对相向光束，处于水平截面投影中部的部分入射光向下穿过下端玻璃窗口经第二四分之一波片321在0°激光反射镜322上反射，再垂直向上传播与原入射冷却光光路重合，在水平面上交汇的相向光束和在竖直方向上重合的相向光束共同交汇产生一个冷却光交汇点，这样两个激光交汇点生成单元31均可以产生一个冷却光交汇点。一对反亥姆霍兹线圈对称设置于四个45°激光反射镜311的两侧，用于在两个冷却光交汇点处产生梯度磁场。

为了增加入射冷却光的光利用效率，如图3所示，两个激光交汇点生成单元31对应的45°激光反射镜311交错设置，更优选的，八个45°激光反射镜在水平面投影上沿周向均匀分布，具体的，位于上层的四个45°激光反射镜311在XY轴上设置，则位于下层的四个45°激光反射镜311位于XY轴四个象限的角平分线上。

本申请实施例的使用流程为：

如图1、图2并结合图4所示，入射激光通过冷却光输入光纤11输入到激光扩束准直器12，激光扩束准直器12将冷却光扩束、准直。扩束、准直后的激光经过第一四分之一波片13后变成偏振类型为圆偏振的入射冷却光。入射冷却光通过真空腔体20上端的玻璃窗口后，外侧部分照射在上层的45°激光反射镜311上被反射，外侧未被反射的部分入射冷却光将会照射在下层的45°激光反射镜311并被反射。而中心部分的入射冷却光将不会被45°激光反射镜组反射，其从真空腔体下端的玻璃窗口射出，射出后的中心部分入射冷却光穿过第二四分之一波片321后，被0°激光反射镜322反射后，再次通过第二四分之一波片321并进入真空腔体20，上述过程将在真空腔体20中产生两个冷却光交汇点，每个冷却光交汇点均有三对冷却光，每对冷却光由两束传播方向重合的入射冷却光组成，且三对冷却光之间相互垂直。内置于真空腔体的两个梯度磁场生成单元33分别在两个冷却光交汇点处产生梯度磁场，从而形成磁光阱冷却和陷俘原子，进而实现双原子团同步冷却与陷俘。

本申请提供的使用单光束的双原子团同步冷却与陷俘系统仅使用单束入射冷却光即可实现冷原子重力梯度仪中双原子团的同步冷却与陷俘，大幅降低了冷原子重力梯度仪的系统复杂度，提升其共模噪声抑制能力与环境适应性。本专利将线圈内置于真空腔体，可用较小电流产生较大磁场梯度，解决其他单光束磁光阱方案中原子装载效率低的问题。与此同时本专利还将两个激光交汇点生成单元错位放置，大幅提升入射冷却光利用效率。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。