一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统的制作方法

本发明涉及一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，涉及原子钟设备。

背景技术：

1、基于光栅芯片的磁光阱(magneto-optical trap，mot)极大地简化了传统磁光阱中六束空间光入射的系统，其体积小，重量轻，光窗口丰富，可扩展性高，更利于实现小型化和实用化，在可移动量子精密测量系统、集成化量子计算系统中具有相当大的潜力。

2、然而，现有的光栅芯片在制作和应用中存在着许多问题，如光栅芯片是由多片反射型衍射光栅拼接而成，一束冷却光入射到光栅芯片表面后形成各方向汇聚到中心的衍射光，它们与入射冷却光共同形成减速原子的光阱，但由于目前工艺手段受限，大片拼接后的光栅芯片成品瑕疵较多，光栅芯片制作成功率低，且光栅芯片在各个方向的衍射角、衍射效率很难做到完全一致，通常需要拼接多个光栅芯片，通过测试择优选择，这造成了极大的资源浪费。

3、此外，在用光栅芯片囚禁冷原子后，原子团的空间位置相对固定，它取决于光栅芯片各方向衍射角和衍射效率的组合，因此之后进行光与原子相互作用时的空间位置也十分受限，对于水平放置的光栅芯片，原子冷却后会迅速扩散到光栅芯片表面，导致光与原子作用时间长度较短；如果将光栅芯片倒置放在真空腔顶端，冷却光束从下向上照射的话，囚禁的冷原子在重力作用下会呈现向下扩散趋势，操控原子的光束(包括泵浦光、探测光等)如果也在竖直方向和原子发生相互作用，虽然将大幅提高光与原子作用时间，但由于光栅芯片位于顶端，阻挡了竖直方向光束的穿过及探测，因此无法实施。

4、并且，现有的基于光栅芯片的磁光阱优化空间有限，，难以进一步优化冷原子形状和位置，导致其使用场景受限。

5、因此，有必要对光栅芯片冷原子囚禁系统进行深入研究，以解决上述问题。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，包括真空腔1、入射光组件2、梯度磁场组件以及用于提供原子的原子源，在真空腔1中设置有光栅芯片3，

2、所述梯度磁场组件设置于真空腔周围，用于形成梯度磁场；

3、所述光栅芯片3中心位置具有孔洞31，使得冷原子可从孔洞31中下落，

4、以孔洞31为中心，所述光栅芯片可拆分成四片反射型衍射光栅32，四片反射型衍射光栅32两两相邻，分布在孔洞31的四周；

5、所述入射光组件位于真空腔内侧上方，用于产生冷却光束，冷却光束向下照射，光束的中心与孔洞31的中心重合，且光束的截面积大于孔洞31截面积，使得光束部分照射在四片反射型衍射光栅32上，

6、所述反射型衍射光栅32设置在支架上，支架角度可调。

7、在一个优选的实施方式中，所述真空腔1的侧面设置有金属腔，在金属腔中设置有真空离子泵，金属腔通过管路12与真空腔1连接。

8、在一个优选的实施方式中，每片反射型衍射光栅32有一个等腰三角形的缺角，位于光栅的一个顶角，四片光栅的缺角共同组成一个方形的孔洞31。

9、在一个优选的实施方式中，所述支架的形状与反射型衍射光栅32的形状相同，支架的边缘部分或全部突出反射型衍射光栅。

10、在一个优选的实施方式中，支架边缘为不反光面.

11、在一个优选的实施方式中，所述支架仅有一个旋转的自由度，旋转轴水平，且四个支架的旋转轴两两垂直。

12、在一个优选的实施方式中，反射型衍射光栅32上衍射凹槽的方向与支架旋转轴相平行。

13、在一个优选的实施方式中，该系统中设置有步进电机13，步进电机13通过齿轮与支架连接，通过对步进电机13转动量的控制实现支架角度的调整。

14、在一个优选的实施方式中，该系统还具有一对反亥姆霍兹线圈，分别置于真空腔上下两侧。

15、另一方面，本发明还提供了一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁方法，通过如上述任一所述多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统实现，包括以下步骤：

16、s1、设置真空腔内真空环境；

17、s2、原子源释放碱金属原子；

18、s3、启动光学组件，出射冷却光束；

19、s4、启动梯度磁场组件，调节反亥姆霍兹线圈位置，调节冷却光束功率和线圈加载电流，初步囚禁冷原子，形成冷原子团；

20、s5、分别调节各支架角度，使得冷原子团在水平方向上处于真空腔中央位置，且冷原子团的形状最趋近于球形；

21、s6、使用探测荧光的光电探测器对冷原子团进行探测，再次调节磁场线圈位置和冷却光束，使光电探测器探测到的冷原子数目最多。

22、本发明所具有的有益效果包括：

23、(1)根据本发明提供的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，镀有增透膜的全光学石英玻璃真空腔相较于传统金属真空腔，光学窗口位置和尺寸可以根据需要灵活调节，且能够有效降低磁场关断时产生的涡旋电流，提高冷原子的数量，提高冷原子团中冷原子的集中程度；

24、(2)根据本发明提供的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，系统更加简单，利用一束冷却光束代替传统磁光阱六束光束，不仅节约了设备成本，还减小了真空装置的重量和尺寸，便于实现原子冷却系统的小型化；

25、(3)根据本发明提供的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，真空腔体积小，产生梯度磁场的反亥姆霍兹线圈和产生抵消地磁的亥姆霍兹线圈所需的电流小，发热量很小，减低了系统的功耗；

26、(4)根据本发明提供的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，原子源部件避免了二维磁光阱在真空装置中的使用，进而大大减小了真空装置的体积，使得后续磁屏蔽的结构更加灵活，安装更加方便，屏蔽效果更好；

27、(5)根据本发明提供的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，光栅芯片采用四片组合方式，每片反射型衍射光栅分别控制摆放角度，解决了传统方式中光栅拼接问题、衍射效率不一致导致光场不均匀等问题，增加各束衍射光汇合效果，尽可能地使冷原子团处于中心位置，并且光栅芯片组的中心设置孔洞，增加了原子下落后和光发生相互作用的几率，由于设置孔洞，还便于在竖直方向上增加与原子发生相互作用的泵浦光、探测光等光束，大幅提高光与原子作用时间。

技术特征：

1.一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，包括真空腔(1)、入射光组件(2)、梯度磁场组件以及用于提供原子的原子源，在真空腔(1)中设置有光栅芯片(3)，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，其特征在于，

10.一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁方法，通过如权利要求1～9之一所述多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统实现，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，包括真空腔(1)、入射光组件(2)、原子源以及梯度磁场组件，在真空腔(1)中设置有光栅芯片(3)，所述光栅芯片(3)中心位置具有孔洞(31)，以孔洞(31)为中心，所述光栅芯片可拆分成四片反射型衍射光栅(32)，四片反射型衍射光栅(32)两两相邻，分布在孔洞(31)的四周；所述入射光组件位于真空腔内侧上方，所述反射型衍射光栅(32)设置在支架上，支架角度可调。本发明公开的多路可调谐光栅芯片冷原子囚禁系统，解决了传统方式中光栅拼接问题、衍射效率不一致导致光场不均匀问题，增加各束衍射光汇合效果，便于获得形状更好、位置更易于控制的原子团。技术研发人员：茹宁,林平卫,金双浩,陆柏川,屈继峰受保护的技术使用者：中国计量科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/2/1