積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，主要包括真空腔體、磁場(chǎng)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)。本發(fā)明用于制備高密度、長(zhǎng)相干時(shí)間的冷原子源。本發(fā)明通過一對(duì)準(zhǔn)赫姆霍茲線圈和單根導(dǎo)線形成Ioffe-Pritchard微磁阱，利用其產(chǎn)生的梯度場(chǎng)搜尋磁不敏原子態(tài)，具有裝置簡(jiǎn)易，體積小，功耗低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，利于實(shí)現(xiàn)積分球內(nèi)原子態(tài)的相干操控研究，為最終研制高精度小型化星載原子鐘提供一種新的技術(shù)。
【專利說明】積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及小型化低功耗的磁阱系統(tǒng)，特別是一種積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)。利用產(chǎn)生的梯度場(chǎng)搜尋磁不敏原子態(tài)，從而制備高密度、長(zhǎng)相干時(shí)間的冷原子源。具有裝置簡(jiǎn)易，體積小，功耗低，操作方便的特點(diǎn)，為研制高精度小型化星載原子鐘提供了更好的實(shí)驗(yàn)
Tno
【背景技術(shù)】
[0002]積分球冷卻是中科院上海光機(jī)所王育竹院士首次提出的一種新的激光冷卻技術(shù)，它利用漫反射光場(chǎng)角度的變化自動(dòng)抵消原子的多普勒效應(yīng)，與傳統(tǒng)的光學(xué)粘團(tuán)和磁光阱技術(shù)相比，該實(shí)驗(yàn)方案具有操作簡(jiǎn)單、裝置簡(jiǎn)易、體積小、功耗低和冷原子俘獲效率高等優(yōu)勢(shì)。
[0003]近年來，國(guó)內(nèi)外在積分球冷卻機(jī)制以及積分球原子鐘的研究上取得了較大進(jìn)展，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。法國(guó)天文臺(tái)的N.Dimarcq小組在2001年利用積分球冷卻技術(shù)獲得了溫度為3.5 ii K、原子數(shù)為2.5X108的超冷銫原子氣體，并于2010年實(shí)現(xiàn)了積分球銫原子鐘的原理樣機(jī)，頻率穩(wěn)定度指標(biāo)是3.2X 10_15@萬秒。迄今為止，積分球冷原子物理及精密測(cè)量研究更多地集中在漫反射光場(chǎng)下的激光冷卻方面，這種技術(shù)無法消除多普勒頻移，原子間的相干時(shí)間較短，原子數(shù)目較少，從而會(huì)影響原子鐘測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。
[0004]本發(fā)明首次報(bào)道在積分球內(nèi)構(gòu)建中性原子的囚禁系統(tǒng)，目的在于獲得高密度、長(zhǎng)相干時(shí)間、穩(wěn)定的冷原子源；同時(shí)滿足小型化，功耗低，操作簡(jiǎn)單的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，制備高密度、長(zhǎng)相干時(shí)間、穩(wěn)定的冷原子源，提高積分球原子鐘測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。采用1fTe-Pritchard(IP)微磁阱來囚禁冷卻的原子，在節(jié)約功耗的同時(shí)還可以提高積分球內(nèi)的原子密度，力爭(zhēng)原子密度比已報(bào)道的結(jié)果提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；延長(zhǎng)原子間的相干時(shí)間，增強(qiáng)冷原子團(tuán)的穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0007]一種積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，主要包括真空腔體、磁場(chǎng)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于:
[0008]所述的真空腔體是一個(gè)積分球體，由玻璃球體、漫反射涂層和玻璃吸收池組成,所述的玻璃球體的球體下端開一 O IOmm孔并燒制在所述的玻璃吸收池上，所述的漫反射涂層是一種硫酸鋇材料，均勻涂在玻璃球體外壁，所述的漫反射涂層上開有分別沿與正負(fù)Z軸成45度對(duì)稱分布的第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和第四通光孔，所述的玻璃吸收池由石英玻璃與不銹鋼過渡法蘭封接構(gòu)成；
[0009]所述的磁場(chǎng)系統(tǒng)包括一對(duì)準(zhǔn)赫姆霍茲線圈和單根超高真空導(dǎo)線，所述的準(zhǔn)赫姆霍茲線圈的左線圈和右線圈對(duì)稱地放在所述的玻璃球體外部?jī)蓚?cè)，且左線圈和右線圈的軸線與玻璃球體的球心共軸，沿坐標(biāo)的Z軸分布，所述的左線圈和右線圈的尺寸和所通過的電流大小是完全相同的，而且電流方向也相同，所述的左線圈和右線圈提供一個(gè)均勻的偏置場(chǎng)，使得玻璃球體的球體中心處磁場(chǎng)為零，所述的單根超高真空導(dǎo)線沿直角坐標(biāo)系XYZ軸在玻璃球體內(nèi)折疊為7段，形成沿Z軸方向傳輸?shù)乃亩螌?dǎo)線和靠近玻璃球體(I)的內(nèi)壁的三段導(dǎo)線，所述的導(dǎo)線的兩頭通過玻璃球體左側(cè)一孔穿過，與外側(cè)真空接線柱相接，且四段導(dǎo)線兩兩相鄰的間距相同，電流方向相反，提供一個(gè)線性非均勻的磁場(chǎng)，并在玻璃球體的球心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)；
[0010]所述的光路系統(tǒng)包括第一冷卻光束、第二冷卻光束和探測(cè)光束，第一冷卻光束和第二冷卻光束分別由兩根多模光纖輸出，第一冷卻光束通過積分球體的第一通光孔,沿與正Z軸成正45度方向傳播，第二冷卻光束通過積分球體的第二通光孔，沿與負(fù)Z軸成正45度方向傳播，相對(duì)射向積分球體的中心，所述的探測(cè)光束由另一根單模保偏光纖輸出，通過積分球體的第三通光孔、積分球體的中心、第四通光孔，沿與正Y軸成正45度方向傳播。
[0011]所述的單根超高真空導(dǎo)線上均鍍有高漫反射率涂層，以避免減小積分球的Q值。
[0012]所述的靠近玻璃球體的內(nèi)壁的三段導(dǎo)線分別通過兩塊陶瓷片粘貼在玻璃球體的內(nèi)壁上。
[0013]本發(fā)明積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有:
[0014]1、本發(fā)明裝置簡(jiǎn)易，元件少，操作簡(jiǎn)單，便于精密調(diào)諧；
[0015]2、本發(fā)明裝置體積小，功耗低，提高了激光能量的利用率；
[0016]3、本發(fā)明裝置對(duì)入射激光的偏振、光功率起伏不敏感，對(duì)磁場(chǎng)抖動(dòng)免疫，大大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
[0017]4、本發(fā)明裝置延長(zhǎng)了積分球內(nèi)原子間的相干時(shí)間，利于完成高度精確的量子操控實(shí)驗(yàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明積分球真空球體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是單根超聞?wù)婵諏?dǎo)線的空間布局不意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]先請(qǐng)參閱圖3，由圖可見，本發(fā)明積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，主要包括真空腔體、磁場(chǎng)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，所述的真空腔體是一個(gè)積分球體，由玻璃球體1、漫反射涂層2和玻璃吸收池3組成，所述的玻璃球體I的球體下端開一①IOmm孔C并燒制在所述的玻璃吸收池3上，所述的漫反射涂層2是一種硫酸鋇材料，均勻涂在玻璃球體I外壁，所述的漫反射涂層2上開有分別沿與正負(fù)Z軸成45度對(duì)稱分布的第一通光孔a、第二通光孔b、第三通光孔c和第四通光孔d，所述的玻璃吸收池3由石英玻璃與不銹鋼過渡法蘭D封接構(gòu)成；
[0023]所述的磁場(chǎng)系統(tǒng)包括一對(duì)準(zhǔn)赫姆霍茲線圈和單根超高真空導(dǎo)線4，所述的準(zhǔn)赫姆霍茲線圈的左線圈5和右線圈6對(duì)稱地放在所述的玻璃球體I外部?jī)蓚?cè)，且左線圈5和右線圈6的軸線與玻璃球體I的球心共軸，沿坐標(biāo)的Z軸分布，所述的左線圈5和右線圈6的尺寸和所通過的電流大小是完全相同的，而且電流方向也相同，所述的左線圈5和右線圈6提供一個(gè)均勻的偏置場(chǎng)，使得玻璃球體I的球體中心處磁場(chǎng)為零，所述的單根超高真空導(dǎo)線4沿直角坐標(biāo)系XYZ軸在玻璃球體I內(nèi)折疊為①、②、③、④、⑤、⑥、⑦共7段，參見圖2，形成沿Z軸方向傳輸?shù)乃亩螌?dǎo)線①、②、③、④和靠近玻璃球體I的內(nèi)壁的三段導(dǎo)線⑤、⑥、⑦，所述的導(dǎo)線的兩頭①、⑦通過玻璃球體I左側(cè)一孔E穿過，與外側(cè)真空接線柱e相接，且四段導(dǎo)線①、②、③、④兩兩相鄰的間距相同，電流方向相反，提供一個(gè)線性非均勻的磁場(chǎng)，并在玻璃球體(I)的球心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)；
[0024]所述的光路系統(tǒng)包括第一冷卻光束Al、第二冷卻光束A2和探測(cè)光束B，第一冷卻光束Al和第二冷卻光束A2分別由兩根多模光纖輸出，第一冷卻光束Al通過積分球體的第一通光孔a，沿與正Z軸成正45度方向傳播，第二冷卻光束A2通過積分球體的第二通光孔b，沿與負(fù)Z軸成正45度方向傳播，二者相對(duì)射向積分球體的中心，所述的探測(cè)光束B由另一根單模保偏光纖輸出，所述的探測(cè)光束B通過積分球體的第三通光孔C、積分球體的中心、第四通光孔d，沿與正Y軸成正45度方向傳播。
[0025]所述的單根超高真空導(dǎo)線4上均鍍有高漫反射率涂層，以避免減小積分球的Q值。
[0026]所述的導(dǎo)線段⑤、⑥、⑦分別通過兩塊陶瓷片f粘貼在玻璃球體I的內(nèi)壁上。
[0027]實(shí)施例:
[0028]玻璃球體I孔徑約為Φ45πιπι，球體下端開一 Φ IOmm孔徑C，燒制在商業(yè)的玻璃吸收池3上，開孔C不宜太大，否則會(huì)破壞球內(nèi)光場(chǎng)的空間均勻性；漫反射涂層2是一種硫酸鋇材料，均勻涂在玻璃球體I的外壁，在450nm到800nm波段的漫反射率高達(dá)96%，涂層上開四個(gè)Φ2πιπι的通光孔a，b，c，d ;商業(yè)玻璃吸收池3由石英玻璃與不銹鋼過渡法蘭D封接實(shí)現(xiàn)。
[0029]兩個(gè)準(zhǔn)赫姆霍茲線圈提供一個(gè)均勻的偏置磁場(chǎng)，使得球體中心處的磁場(chǎng)非零，從而避免由于磁場(chǎng)零點(diǎn)附近存在Majorana躍遷導(dǎo)致嚴(yán)重的原子損失，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Z方向上原子的囚禁，要獲得較深的勢(shì)阱來囚禁冷卻的原子，左右兩個(gè)線圈應(yīng)盡可能的靠近積分球。單根超高真空導(dǎo)線4沿直角坐標(biāo)系XYZ軸折疊，在玻璃球體(I)內(nèi)形成沿Z軸方向傳輸?shù)乃亩螌?dǎo)線①，②，③，④，這種分布方式可以減小積分球的開孔率，相鄰導(dǎo)線間距相同，電流方向相反，提供一個(gè)線性非均勻的磁場(chǎng)，并在玻璃球體I的球心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)，導(dǎo)線間距盡可能的靠近球心位置，實(shí)現(xiàn)X和Y向上原子的緊束縛；導(dǎo)線上均鍍有高漫反射率涂層，以避免減小積分球的Q值。導(dǎo)線兩頭通過積分球左側(cè)一孔E穿過，與外側(cè)真空接線柱e相接；導(dǎo)線兩側(cè)通過兩塊陶瓷片f粘貼在玻璃球體I內(nèi)壁上。通過選取合適的偏置磁場(chǎng)大小，結(jié)合梯度場(chǎng)選態(tài)，最終可實(shí)現(xiàn)積分球內(nèi)冷原子團(tuán)的磁不敏囚禁。
[0030]如圖1:光束Al通過積分球體的通光孔a，沿與正Z軸成正45度方向傳播，光束A2通過積分球體的通光孔b，沿與負(fù)Z軸成正45度方向傳播；光束B通過積分球體的兩個(gè)通光孔c，d后，沿與正Y軸成正45度方向傳播。玻璃球體(I)下端開一孔C，與過渡法蘭D相通；玻璃球體(I)左側(cè)開一孔E,與真空Feed through F相通，e是兩根真空接線柱。
[0031]實(shí)驗(yàn)表明，在只有兩束激光入射的條件下，囚禁的原子數(shù)密度比非囚禁裝置要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且整個(gè)原子團(tuán)的穩(wěn)定性能大大提高。同傳統(tǒng)的飛行時(shí)間方法(TOF)測(cè)溫法相比，我們采用反沖誘導(dǎo)共振(RIR)光譜方法，發(fā)現(xiàn)整個(gè)原子團(tuán)的溫度更低?，F(xiàn)在的冷原子團(tuán)的溫度在200 μ K左右。因此，本發(fā)明將為下一代星載原子鐘實(shí)驗(yàn)提供更好的冷原子源。
【權(quán)利要求】
1.一種積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，主要包括真空腔體、磁場(chǎng)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，其特征在于: 所述的真空腔體是一個(gè)積分球體，由玻璃球體(I)、漫反射涂層(2)和玻璃吸收池(3)組成，所述的玻璃球體(I)的球體下端開一 O IOmm孔(C)并燒制在所述的玻璃吸收池(3)上，所述的漫反射涂層(2)是一種硫酸鋇材料，均勻涂在玻璃球體(I)外壁，所述的漫反射涂層(2)上開有分別沿與正負(fù)Z軸成45度對(duì)稱分布的第一通光孔(a)、第二通光孔(b)、第三通光孔(c)和第四通光孔(d)，所述的玻璃吸收池(3)由石英玻璃與不銹鋼過渡法蘭(D)封接構(gòu)成； 所述的磁場(chǎng)系統(tǒng)包括一對(duì)準(zhǔn)赫姆霍茲線圈和單根超高真空導(dǎo)線(4)，所述的準(zhǔn)赫姆霍茲線圈的左線圈(5)和右線圈(6)對(duì)稱地放在所述的玻璃球體(I)外部?jī)蓚?cè)，且左線圈(5)和右線圈(6)的軸線與玻璃球體(I)的球心共軸，沿坐標(biāo)的Z軸分布，所述的左線圈(5)和右線圈(6)的尺寸和所通過的電流大小是完全相同的，而且電流方向也相同，所述的左線圈(5)和右線圈(6)提供一個(gè)均勻的偏置場(chǎng)，使得玻璃球體(I)的球體中心處磁場(chǎng)為零，所述的單根超高真空導(dǎo)線(4)沿直角坐標(biāo)系XYZ軸在玻璃球體(I)內(nèi)折疊為①、②、③、④、⑤、⑥、⑦共7段，形成沿Z軸方向傳輸?shù)乃亩螌?dǎo)線①、②、③、④和靠近玻璃球體⑴的內(nèi)壁的三段導(dǎo)線⑤、⑥、⑦，所述的導(dǎo)線的兩頭①、⑦通過玻璃球體(I)左側(cè)一孔(E)穿過，與外偵慎空接線柱(e)相接，且四段導(dǎo)線①、②、③、④兩兩相鄰的間距相同，電流方向相反，提供一個(gè)線性非均勻的磁場(chǎng)，并在玻璃球體(I)的球心產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)； 所述的光路系統(tǒng)包括第一冷卻光束(Al)、第二冷卻光束(A2)和探測(cè)光束(B)，第一冷卻光束(Al)和第二冷卻光束(A2)分別由兩根多模光纖輸出，第一冷卻光束(Al)通過積分球體的第一通光孔(a)，沿與正Z軸成正45度方向傳播，第二冷卻光束(A2)通過積分球體的第二通光孔(b)，沿與負(fù)Z軸成正45度方向傳播，相對(duì)射向積分球體的中心，所述的探測(cè)光束(B)由另一根單模保偏光纖輸出，所述的探測(cè)光束(B)通過積分球體的第三通光孔(c )、積分球體的中心、第四通光孔(d)，沿與正Y軸成正45度方向傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，其特征在于所述的單根超高真空導(dǎo)線(4)上均鍍有高漫反射率涂層，以避免減小積分球的Q值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的積分球磁不敏囚禁系統(tǒng)，其特征在于所述的導(dǎo)線段⑤、⑥、⑦分別通過兩塊陶瓷片(f)粘貼在玻璃球體(I)的內(nèi)壁上。
【文檔編號(hào)】H05H3/02GK103763847SQ201410014819
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】王文麗, 鄧見遼, 王育竹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所