[发明专利]一种用于囚禁原子的激光分束方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于囚禁铷原子的激光分束方法及其装置，为原子干涉仪提供制备冷原子，属于量子计量领域。

背景技术

冷原子制备是进行原子干涉的第一步，原子干涉仪可以用于精密测量地球的重力场以及加速度。冷却原子需要七束激光，其中六束为冷却光，要求频率保持在冷却光谱线，另外一束为再泵浦光要求频率保持在再泵浦谱线。为了冷却光保持频率一致，需要用到激光的分束与扩束。现在已有商业成品的一分六光纤分束器。但这种分束器价格在几十万元左右，而较为便宜的光纤分束也难以调整其功率分配。此外，冷却原子需要大功率的激光，这非常容易导致光纤端面受损。我们这里在大功率的节点处采用空间光的方案，而到了小功率的部分采用光纤，大大降低了实验所需光纤分束的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于囚禁铷原子的激光分束方法及其装置，能够实现冷原子的囚禁，具有光功率稳定、光功率利用效率高、成本低的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种用于囚禁原子的激光分束方法，包括如下步骤：

步骤一：在高真空的真空腔内，打入三对以上光功率密度相同的对射激光束，三对以上光功率密度相同的对射激光束汇聚在同一空间点，因此，所述的三对以上光功率密度相同的对射激光束汇聚在同一球形空间区域，即为冷原子的囚禁区；

步骤二：将一对反亥姆霍兹线圈套在其中任意一对对射激光束的轴线方向上，用于形成梯度磁场，保证磁场零点与三对对射激光束的交汇点重合。

步骤三：在任意方向，向着冷原子囚禁区打入用于维持原子在冷却囚禁态上的辅助光束。

步骤四：在反亥姆霍兹线圈和辅助光束的配合下，三对以上等光功率密度相同的对射激光束用于持续降低放入真空腔的目标原子的温度，并使更多的目标原子聚集在囚禁区，最终实现目标原子冷却与囚禁的目的。

作为优选，所述的每束对射激光束的光斑直径在1cm以上，每束对射激光束光功率大于10mW。

步骤三所述的辅助光光束直径在1cm以上，光功率大于5mW。

作为优选，为节约成本，所述的三对以上光功率密度相同的对射激光束优选六束，且每对对射激光束相互正交。

作为优选，所述的目标原子包括铷原子、铯原子、钠原子。

用于实现一种用于囚禁原子的激光分束方法的一种用于囚禁原子的激光分束装置，包括激光系统、磁场系统和真空腔。所述的激光系统包括激光器、放大前分束组件、激光放大器、放大后分束组件、稳频模块和准直扩束模块。稳频模块用于将冷却光的频率锁定在所需要的冷却谱线上。激光器出射的光由放大前分束组件分为两束，一束作为稳频进入稳频模块，另一束作为种子光耦合到激光放大器中。根据所需激光分束数量配置放大后分束组件，得到所需数量的激光分束，所需激光分束数量根据对射激光束数量和辅助光束数量而定。对放大后分束组件分束后的激光进入光纤，并通过准直扩束模块准直扩束实现所需光斑直径。根据囚禁目标原子所述的三对以上光功率密度相同的对射激光束要求布设为对射的激光束，通过冷却光镜筒向真空腔打入三对以上光功率密度相同的对射激光束；在任意方向通过辅助光镜筒向着真空腔中冷原子囚禁区打入用于维持原子在冷却囚禁态上的辅助光束。磁场系统由反亥姆霍兹线圈组成，反亥姆霍兹线圈套在其中任意一对对射激光束的轴线方向上，用于形成梯度磁场，保证磁场零点与三对以上对射激光束的交汇点重合。

作为优选，所述的放大前分束组件包括半波片和PBS。所述的单个放大后分束组件分别包括半波片和PBS，通过半波片旋转实现对激光分束功率均匀性进行调节。

作为优选，所述的稳频模块优选消多普勒影响的双色谱DAVLL锁频方法，包括半波片、两个PBS、1/4波片、光电探测器、差分放大电路、DigiLock反馈系统。

作为优选，所述的准直扩束模块包括两个PBS、半波片、1/4波片、凹面镜和凸面镜。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于囚禁原子的激光分束方法及其装置，利用三对以上光功率密度相同的对射激光束，汇聚在同一球形空间区域，并将一对反亥姆霍兹线圈套在其中任意一对对射激光束的轴线方向上，在辅助光束的配合下，实现在光束汇聚区域冷却与囚禁目标原子的目的。

2、本发明公开的一种用于囚禁铷原子的激光分束方法及其装置，在冷却激光分束阶段完全采用空间光路分光，没有引入光纤，能够大幅降低光纤传输激光过程中带来的偏振性乃至功率的不稳定性，最终实现功率稳定性优良的冷却激光。