[发明专利]基于环形永磁铁的塞曼减速器

说明书

技术领域

本发明涉及激光冷却领域，特别涉及一种基于环形永磁铁的塞曼减速器。

背景技术

冷原子气体由于其量子特性受到科学界越来越多的重视，从而被广泛应用于诸如原子光学、超精细原子光谱、多体系统特性、原子干涉、玻色爱因斯坦凝聚和原子钟的研究中。根据热力学原理，气体原子分子的温度与其运动速度成正正比，因此对原子减速就达到了冷却的目的。如果用热传递的方式对气态原子进行冷却，当温度下降到使得原子的热运动速度小于1m/s时，气体将凝结成液体或固体，这时原子间会产生强烈的相互作用，介质的能级结构和性能也会发生显著变化。一种有效获得冷原子气体的方法就是利用激光冷却原子。激光冷却同传统热传递冷却的区别就是在冷却过程中，降低了原子的速度，使其等效温度远远低于原子的熔点或沸点，但由于原子的密度较小，并没有发生气态到液态或固态的相变。

激光冷却原子的基本原理是动量守恒定律。在激光冷却过程中，原子吸收一个光子跃迁到高能级，然后再自发辐射一个光子回落到基态。自发辐射过程中，原子发出的光子方向是随机的。因此从大量原子和多次过程的统计结果上看，原子自发辐射光子的总动量的矢量和是0，所以整个过程的原子动量变化就是原子吸收光子过程的动量变化。最终表现为原子在激光传播方向上的减速。

原子冷却需要考虑多普勒效应。原子跃迁的频率是自然基准，只和原子的特性有关，不随外界环境的改变而改变。原子只能吸收和它本身跃迁频率一致光子发生跃迁。但是，当原子以一定的速度运动时，由于 多普勒效应，原子感受到的光的频率会发生改变，其频移大小和速度成正比。当光和原子相对运动时，原子感受到的光的频率会比实际频率高，称为蓝移。所以要使原子跃迁发生，光的实际频率需要比原子跃迁频率低，称为红失谐。

由于塞曼效应，原子的跃迁谱线在外磁场中会产生分裂。裂距和磁场的大小成正比。塞曼效应有偏振特性。对于量子数+1的跃迁，原子倾向于吸收σ⁺的偏振光，以保持角动量守恒；同理，对于量子数-1的跃迁，原子倾向于吸收σ^-偏振光；对于量子数变为为0的跃迁，原子倾向于吸收线偏振光。

高速原子和一定频率的激光作用减速后，由于多普勒效应，原子便不再和这一频率的激光继续作用，造成原子不能够持续减速。

为解决这一问题，可以通过一个外加磁场，利用塞曼效应来补偿多普勒效应产生的频移，让二者相互抵消。这样，原子便能够持续和一固定频率的激光相互作用，原子就能够得到持续减速。其磁场分布必须和原子速度在空间上的分布一致。这种产生外磁场分布，使得塞曼效应抵消多普勒频移，能够对原子进行持续减速的装置被称为塞曼减速器。

传统的塞曼减速器是利用通电线圈产生塞曼磁场，主要有一线式和分段式两种。对于一线式塞曼减速器，整个磁场由一段线圈产生，由于通电电流恒定，因此需要严格控制每一点处导线的层数，最终需要绕成特定的形状，才能够产生和理论比较接近的磁场。因此对绕线圈数层数都有很严格的要求，需要用软件进行仿真和计算，同时对绕线本身的精度也有很高的要求。对于分段式塞曼减速器，由于在每段可以应用不同的电流，因此对绕线的计算和绕线精度要求都有所降低。

以上两种塞曼减速器的都是通电螺线管式，在工作的时候需要通以一定的电流，电流在流过导线产生磁场的同时，会产生热量，导致整个塞曼减速器温度升高。温度升高首先会影响线圈的电阻，会造成电流的不稳定，影响原子减速；其次温度升高会导致塞曼减速器内的真空度变差；第三，加热也会影响最终原子的冷却，会对原子样品产生热辐射，升高原子的温度。

解决发热问题的一个方案是利用水冷系统来平衡线圈的发热。然而加入水冷系统以后，水的流动会有一定的振动，会对原子样品引入新的振动噪声；同时水冷并不能完全消除加热的影响，顺着水流的方向，也会在塞曼减速器中产生一定的温度梯度等。

目前国际上有利用永磁铁实现塞曼减速器的尝试。其中有的是利用和原子运动方向垂直的磁场，称为横向塞曼减速器，如英国NPL实验室。此类减速器磁场非轴对称，均匀性差，会对原子的减速产生不利影响。另一些是利用减速器中心轴对称的几条磁铁产生的同原子运动方向相同的磁场，成为纵向塞曼减速器，如德国的PTB等。这种磁场虽然是关于塞曼减速器纵轴对称分布，然而由有限几条磁铁产生的磁场终究无法做到关于纵轴的柱对称。在横向不同分布点的原子所处的磁场不同，其塞曼分裂不同，原子的谐振频率便不同，因此所有原子无法实现同样的冷却效果。

发明内容