冷原子束生成方法、冷原子束生成装置、原子干涉仪

技术领域

本发明涉及冷原子束生成技术和使用该冷原子束生成技术的原子干涉仪。

背景技术

近年来，伴随激光技术的发展，正在开发各种各样的冷原子束生成技术。作为冷原子束生成技术，例如已知非专利文献1～8所公开的技术。

根据非专利文献1～3，在包含被称为发夹线(hairpin wires)的磁场生成线圈和冷却用激光对的二维磁光阱(two-dimensional magneto-optical trap；2D-MOT)机构内冷却原子，利用移动粘团(moving-molasses)的原理从冷却原子团引出冷原子束(例如，参照非专利文献2的图1)。

根据非专利文献4，在包含磁场生成线圈和冷却用激光对的2D-MOT机构内冷却原子，利用推送激光(pushing laser)从冷却原子团引出冷原子束。

根据非专利文献5，在将用于生成三维磁光阱(three-dimensional magneto-optical trap；3D-MOT)机构中的三个激光对之中一个激光对的后向反射器(retroreflector)置换为开孔1/4波长反射板的结构中，利用该一个激光对中的不对称的散射率，从冷却原子团引出冷原子束。这种技术被称为LVIS(low-velocity intensesource，低速强源)。

根据非专利文献6，在将与二维四极磁场的零磁场线一致的一个激光对追加到2D-MOT机构中的结构中，利用该一个激光对中的光束强度的差异，从冷却原子团引出冷原子束(例如，参照非专利文献6的图1)。这种技术被称为2D

根据非专利文献7，使用激光和金字塔型开孔反射镜，对原子进行三维冷却，并且从冷却原子团引出冷原子束。

根据非专利文献8，利用在2D-MOT机构中的四极磁场的零磁场线上行进的两种激光(推送激光和空心激光)，得到通量(flux)和速度分布被改善的冷原子束(例如，参照非专利文献8的图3)。这种技术被称为2D-HP MOT。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：E.Riis,D.S.Weiss,K.A.Moler,and S.Chu,“Atom Funnel for theProduction of a Slow,High-Density Atomic Beam,”Phys.Rev.Lett.64,1658(1990).

非专利文献2：Swanson,T.B.；Silva,N.J.；Mayer,Shannon K.；Maki,J.J.；andMcIntyre,D.H.,“Rubidium atomic funnel,”(1996).Physics Faculty Publicationsand Presentations.30.

非专利文献3：T.B.Swanson,N.J.Silva,S.K.Mayer,J.J.Maki andD.H.McIntyre:“Rubidium atomic funnel,”J.Opt.Soc.Am.B,13,9,p.1833(1996).

非专利文献4：J.Schoser,A.Batar,R.Low,V.Schweikhard,A.Grabowski,Yu.B.Ovchinnikov,and T.Pfau,“Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap,”PHYSICAL REVIEW A,66,0234102002.

非专利文献5：Z.Lu,K.Corwin,M.Renn,M.Anderson,E.Cornell and C.Wieman:“Low-Velocity Intense Source of Atoms from a Magneto-optical Trap,”Phys.Rev.Lett.,77,16,pp.3331-3334(1996).

非专利文献6：K.Dieckmann,R.Spreeuw,M.Weidemuller and J.Walraven:“Two-dimensional magneto-optical trap as a source of slow atoms,”Phys.Rev.A,58,5,pp.3891-3895(1998).

非专利文献7：J.Arlt,O.Marago,S.Webster,S.Hopkins and C.Foot:“Apyramidal magnetooptical trap as a source of slow atoms,”Opt.Commun.,December,pp.303-309(1998).

非专利文献8：Jia-Qiang Huang,Xue-Shu Yan,Chen-Fei Wu,Jian-Wei Zhang,and Li-Jun Wang,“Intense source of cold cesium atoms based on a two-dimensional magneto-optical trap with independent axial cooling and pushing,”Chin.Phys.B Vol.25,No.6 063701(2016).

发明内容

发明要解决的课题

冷原子束生成技术被用于各种各样的技术，例如，被用于马赫-曾德(Mach-Zehnder)型原子干涉仪、拉姆齐-波德(Ramsey-Borde)型原子干涉仪等原子干涉仪。在原子干涉仪中，冷原子束受到行进光学驻波的作用，所述行进光学驻波通过使频率不同的激光相对而被生成，并且具有与频率差对应的漂移(drift)速度。

可是，根据冷原子束生成技术，有激光在被生成的冷原子束的行进方向上行进的情况。根据被公开于非专利文献4的结构，由于利用推送激光从冷却原子团引出冷原子束，所以推送激光在被生成的冷原子束的行进方向上行进。根据被公开于非专利文献5的结构，构成所述一个激光对的一个激光用作有效的推送激光，该推送激光与冷原子束一起从开孔1/4波长反射板的孔中出去。根据被公开于非专利文献6的结构，构成所述一个激光对的一个激光用作有效的推送激光，该推送激光与冷原子束一起从为了使另一个激光与该一个激光相对而配置的开孔反射板的孔中出去。根据被公开于非专利文献7的结构，所述激光用作推送激光，该推送激光与冷原子束一起从金字塔型开孔反射镜的孔中出去。根据被公开于非专利文献8的结构，所述两种激光之中的一个为推送激光，该推送激光与冷原子束一起从用于反射所述两种激光之中的另一个激光(空心激光)的开孔反射板的孔中出去。

在这样的情况下，由于冷原子束和推送激光同时地进入原子干涉仪，所以推送激光有可能对原子干涉产生影响。

但是，这些冷原子束生成技术可实现具有低速度、较窄的速度分散和较高的通量的冷原子束，期望在原子干涉仪中能够使用这些冷原子束生成技术。

因此，本发明的目的在于，提供使冷原子束在与推送激光的行进方向不同的方向上行进的冷原子束生成技术。

用于解决课题的方案

在本发明的冷原子束生成技术中，利用推送激光，从被束缚在空间中的原子生成冷原子束，利用二维磁光阱机构中的四极磁场的零磁场线或移动粘团机构中的光学驻波的漂移方向，偏转冷原子束。

本发明的原子干涉仪包含连续生成冷原子束的冷原子束生成装置、生成3个以上的行进光学驻波的行进光学驻波生成单元、以及得到原子束和3个以上的行进光学驻波相互作用的结果的原子束的干涉单元。冷原子束生成装置包含：原子源；利用推送激光，从被束缚在空间中的来自原子源的原子生成冷原子束的冷原子束生成器；以及由冷原子束生成器生成的冷原子束所进入的原子束偏转器。原子束偏转器包含二维磁光阱机构或移动粘团机构。由冷原子束生成器生成的冷原子束的行进方向与推送激光的行进方向一致，在原子束偏转器为二维磁光阱机构的情况下，二维磁光阱机构中的四极磁场的零磁场线与由冷原子束生成器生成的冷原子束的行进方向交叉，在原子束偏转器为移动粘团机构的情况下，移动粘团机构中的光学驻波的漂移方向与由冷原子束生成器生成的冷原子束的行进方向交叉。

发明效果

根据本发明，通过原子束偏转器，能够使冷原子束在与推送激光的行进方向不同的方向上行进。

附图说明

图1是用于说明使用了冷原子束生成装置的原子干涉仪的结构(例子1)的图。

图2是用于说明使用了冷原子束生成装置的原子干涉仪的结构(例子2)的图。

具体实施方式

参照附图，说明本发明的实施方式。另外，附图是为了理解实施方式而被提供的，图示的各结构元素的尺寸并不是精确的。

在例示的实施方式中，说明本发明的实施方式的冷原子束生成装置100和利用冷原子束生成装置100的马赫-曾德型原子干涉仪500。马赫-曾德型原子干涉仪500包含：连续生成各个原子处于相同状态的冷原子束131a的冷原子束生成装置100；干涉单元200；行进光学驻波生成单元300；以及观测单元400(参照图1)。在本实施方式中，冷原子束生成装置100、干涉单元200和观测单元400被容纳在未图示的真空容器内。

冷原子束生成装置100在真空容器的一区划100a内包含：原子源110；利用推送激光121从被束缚在空间中的来自原子源110的原子生成冷原子束的冷原子束生成器130；以及由冷原子束生成器130生成的冷原子束131所进入的原子束偏转器140。在该实施方式中，设想冷原子束生成装置100具有包含2D

若简单地描述其一例子，则2D

三个激光对之中的两个激光对各自是彼此相对行进且具有相同频率(比原子的共振频率略小的频率)的圆偏振光σ

三个激光对之中剩余的激光对是，在二维四极磁场的零磁场线上彼此相对行进且具有相同的频率(比原子的共振频率略小的频率)的圆偏振光σ

若简单地描述其一例子，则2D-MOT机构具有从2D

在这样的冷原子束生成装置100中，由冷原子束生成器130生成的冷原子束131的行进方向(即，二维四极磁场的零磁场线的方向)与推送激光121(即，构成二维四极磁场的零磁场线上的一个激光对的一个激光)的行进方向一致。

冷原子束生成器130和原子束偏转器140处于如下的位置关系：原子束偏转器140的2D-MOT机构中的四极磁场的零磁场线与由冷原子束生成器130生成的冷原子束131的行进方向(即，2D

此外，原子源110具有使固体升华的结构、或者使液体蒸发或挥发的结构。优选固体或者液体由高纯度的单一元素构成。

在上述冷原子束生成装置100中，首先从原子源110得到气体原子。在使用锶或钙等的情况下，需要加热装置，但在使用铷或铯等的情况下，由于室温(适合于人活动的温度)下的饱和蒸气压较高(即，容易气化)，所以不使用加热装置也能够得到足够的气体原子。

充满在真空容器的一区划100a内的气体原子(以下，简称为原子)被自然供给给2D

另外，若考虑以当前的技术水平所达成的冷原子束131的通量，则充满在真空容器的一区划100a内的原子和冷原子束131的每单位时间单位体积的碰撞总数足够小(即，平均自由行程较长)。

冷原子束131和漏出的推送激光121进入到具有包含2D-MOT机构的结构的原子束偏转器140中。根据冷原子束生成器130和原子束偏转器140的上述的位置关系，冷原子束131和漏出的推送激光121与原子束偏转器140的2D-MOT机构中的四极磁场的零磁场线倾斜相交。然后，通过基于2D-MOT机构的与原子的速度和位置相应的衰减力，而使冷原子束131行进的路径被变更为2D-MOT机构中的四极磁场的零磁场线的方向。但是，由于推送激光121不因2D-MOT机构而受到影响，所以推送激光121行进的路径未被变更。因此，通过原子束偏转器140，冷原子束131在与推送激光121的行进方向不同的方向上行进。从原子束偏转器140射出的冷原子束131中包含的各个原子通过光抽运(pumping)而被设定为相同的能级。由相同能级的原子构成的冷原子束131a进入到干涉单元200中。在与冷原子束131(131a)的行进方向不同的方向上行进的推送激光121被适当地进行终止处理，不进入干涉单元200。

在干涉单元200的说明之前，说明行进光学驻波生成单元300。马赫-曾德型原子干涉仪500利用n级(其中，n为2以上的预先确定的正整数)的布拉格(Bragg)衍射。行进光学驻波生成单元300生成满足n级布拉格条件的3个行进光学驻波(第1行进光学驻波201a、第2行进光学驻波201b、第3行进光学驻波201c)。还满足如下条件：第1行进光学驻波201a具有作为原子束的分离器(splitter)的功能、第2行进光学驻波201b具有作为原子束的反射镜(mirror)的功能、第3行进光学驻波201c具有作为原子束的合成器(combiner)的功能。

这样的满足各条件的3个行进光学驻波(第1行进光学驻波201a、第2行进光学驻波201b、第3行进光学驻波201c)分别通过适当地设定各自的高斯光束(Gaussian Beam)的光束束腰、波长、光强度、以及相对的激光间的频率差而实现。另外，高斯光束的光束束腰能够光学地设定(例如用透镜对激光进行聚光)，高斯光束的光强度能够电气地设定(例如调整高斯光束的输出)。即，行进光学驻波的生成参数与现有的生成参数不同，由于生成这3个行进光学驻波的行进光学驻波生成单元300的结构与现有的结构没有不同，因此省略行进光学驻波生成单元300的结构的说明(在图1中，图示了激光源、透镜、反射镜、AOM等作为概略)。

在干涉单元200中，冷原子束131a通过3个行进光学驻波201a、201b、201c。在本实施方式中的原子干涉仪中，利用相同的内部状态中的不同的2个动量状态|g,p

若冷原子束131a通过第1行进光学驻波201a，则初始状态处于|g,p

在分裂后，由状态|g,p

在反转后，由状态|g,p

若在马赫-曾德型原子干涉仪500中加入包含从第1行进光学驻波201a的作用至第3行进光学驻波201c的作用为止的原子束的2个路径在内的平面内的角速度或加速度，则在从第1行进光学驻波201a的作用至第3行进光学驻波201c的作用为止的原子束的2个路径产生相位差，该相位差被反映在通过了第3行进光学驻波201c的各个原子的状态|g,p

＜其他实施方式＞

在所述实施方式中，冷原子束生成器130具有包含2D

此外，在所述实施方式中，原子束偏转器140具有包含2D-MOT机构的结构。但是，由于原子束偏转器140将由冷原子束生成器130生成的冷原子束偏转即可，所以没有被限定为含有2D-MOT机构，例如，也可以具有包含移动粘团机构的结构(参照图2)。

若简单地描述其一例子，则移动粘团机构至少包含一个激光对。激光对形成行进光学驻波。行进光学驻波在它的漂移方向上对原子施加速度。在移动粘团机构包含两个激光对的情况下，各激光对形成行进光学驻波。进入到两个行进光学驻波的交叉区域内的原子在两个行进光学驻波的漂移方向(具体地说，两个漂移方向的合成方向)上被施加速度。

在原子束偏转器140具有包含移动粘团机构的结构的情况下，冷原子束生成器130和原子束偏转器140处于如下位置关系：移动粘团机构中的光学驻波的漂移方向与由冷原子束生成器生成的冷原子束的行进方向交叉(优选正交)。

冷原子束131和漏出的推送激光121进入到具有包含移动粘团机构的结构的原子束偏转器140中。根据冷原子束生成器130和原子束偏转器140的上述的位置关系，冷原子束131和漏出的推送激光121与原子束偏转器140的移动粘团机构中的光学驻波的漂移方向倾斜相交。然后，冷原子束131行进的路径根据移动粘团的原理而被变更。但是，由于推送激光121未因移动粘团机构而受到影响，所以推送激光121行进的路径没有被变更。因此，通过原子束偏转器140，冷原子束131在与推送激光121的行进方向不同的方向上行进。

此外，在上述实施方式中，说明了利用n级(n≧2)布拉格衍射的马赫-曾德型原子干涉，但没有被限定于该类型，例如，也可以是利用了基于行进光学驻波的2光子拉曼(Raman)过程的马赫-曾德型原子干涉仪(参照参考文献1)。

(参考文献1)T.L.Gustavson,P.Bouyer and M.A.Kasevich,“PrecisionRotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope,”Phys.Rev.Lett.78,2046-2049,Published 17March 1997.

此外，例如，在上述实施方式中，利用了使用3个行进光学驻波来进行1次分裂、1次反转和1次混合的马赫-曾德型原子干涉，但没有被限定于这样的实施方式，本发明的原子干涉仪也能够作为例如利用了进行多次分裂、多次反转和多次混合的多级马赫-曾德型原子干涉的实施方式来实施。针对这样的多级马赫-曾德型原子干涉，参照参考文献2。

(参考文献2)Takatoshi Aoki et al.,“High-finesse atomic multiple-beaminterferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,”Phys.Rev.A63,063611(2001)-Published 16May 2001.

此外，本发明的原子干涉仪不限于马赫-曾德型原子干涉仪，例如也可以是拉姆齐-波德型原子干涉仪。

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并没有被限定于这些实施方式。在不脱离本发明的宗旨的范围内被允许各种各样的变更和变形。所选择且所说明的实施方式用于解释本发明的原理和其实际的应用。本发明伴随各种各样的变更或变形而被用作各种各样的实施方式，各种各样的变更或变形根据所期待的用途而被确定。意图在于所有这样的变更和变形都包含在由所附权利要求书定义的本发明的范围内，在按照公平、合法和公正地被给予的范围而解释的情况下，意图在于被给予相同的保护。

标号说明

100 冷原子束生成装置

100a 区划

110 原子源

121 推送激光

130 冷原子束生成器

140 原子束偏转器

131 冷原子束

131a 冷原子束

131b 冷原子束

200 干涉单元

201a 第1行进光学驻波

201b 第2行进光学驻波

201c 第3行进光学驻波

300 行进光学驻波生成单元

400 观测单元

408 探测光

409 光检测器

500 原子干涉仪