原子冷却和捕获方法及装置

背景技术：

1、本发明涉及用激光冷却和捕获原子。

2、在二十世纪八十年代后期的激光冷却和捕获的早期研究中，许多研究小组发现了捕获原子温度远低于当时由多普勒冷却所提出的限制设想。lett等人在1988年[1]进行了温度确定方法的仔细研究以确认这些发现，它们相比于当时所公认的多普勒有限黏团冷却(molasses cooling)当时被称为“超级黏团”。在随后一年中，两个小组独立提交了将偏振梯度冷却(也称为sisyphus冷却)认定为附加冷却效果背后的机制的理论性解释[2,3]。这些理论依赖原子内部结构以通过原子状态的偏振相关调制来散射附加能量。以上效果已被开发且现在被彻底认可。但在围绕超级黏团效果的不确定性的相同期间内，进行了另一项几乎未被涉足的观测。chu等人[4]注意到，当反向传播激光束略微失准时，在黏团内收集的原子数量显著增大，增大超过一个数量级，并且保持捕获达几秒钟。此效果的一些方面可以通过“跑道模式”来解释[5]。但这种观测结果看上去还是未被大规模探索。一种可能的理论解释基于由牵涉涡流力的卡皮察摆(或倒立摆)所引起的模型被阐述[6]、但尚未得到实验确认。相似且出乎意料的、在无磁场下的原子冷却和捕获也已经在其他文献[7,8]中有所报告。在这两篇参考文献中报告的阱具有沿三个笛卡尔轴正交布置的三个反向传播光束对。参考文献[7]的阱需要线性偏振光、很好的真空和大直径激光束(≥10mm)来成功工作。为了产生反向传播光束对，每个入射光束以偏离准确逆反射的微小角度被反射，此时在0.5°～1°范围内的失准提供良好性能。假设的捕获机制是偶极力[9]。像参考文献[7]那样，参考文献[8]的阱也采用大直径光束和略微失准的反向传播光束对。参考文献[8]的阱以线性偏振或圆形偏振工作。其工作需要在磁场消失前从标准磁光阱(mot)装载，即，它无法直接由蒸气形成被冷却的原子云。作者考虑了可能导致这样的阱的许多理论过程并且尤其建议所述过程可以与超晶格偶极阱相关。

3、仅用光场、即无磁场地冷却和捕获原子的原因出乎预料，这是因为earnshaw定理[10]的光学等同，其表述为：

4、

5、其中，fs是具有可度量的偏振能力的作用于粒子的散射力。实质上，仅散射力自身无法在所有维度上产生作用于偶极的稳定恢复力，因为在自由空间中没有光场源或光场壑。该限制一般通过借助塞曼偏移(像在mot中)或ac stark偏移(像在偶极阱中那样)改变原子内部状态来克服。

6、专用设计的全光阱是由bouyer等人[11]研发的光阱，其被称为光泵浦依赖型阱(troop)。troop采用未准直的、即发散的正交圆形偏振光束，其沿每个笛卡尔轴线来取向以通过失衡激光器功率和光学泵浦产生空间变化的且因此位置相关的力。就像mot或偶极阱，troop也基于内部状态的操控。

技术实现思路

1、根据本文的第一方面，提供一种捕获并冷却原子的光阱，光阱包括：

2、真空腔，其可被操作以提供真空环境，在真空环境下一个原子种类的原子能通过该原子种类的称为冷却跃迁的电子跃迁的激励而被激光冷却；

3、激光源，其配置成在低于冷却跃迁的频率的失谐频率下产生激光；

4、光学布置结构，其配置成操控激光以产生具有各自第一、第二和第三光束宽度的第一、第二和第三光束并引导第一、第二和第三光束以沿偏离相互正交布置的各自第一、第二和第三入射光路传播穿过真空腔，在正交布置中它们都相对于参考轴线形成45°对轴角度，而在此却相对于参考轴线具有在25°到35°之间的各自第一、第二和第三对轴角度；以及

5、第一、第二和第三反光器，它们布置成反射第一、第二和第三光束以沿其入射光路在偏离逆反射的各自第一、第二和第三反射光路中返回传播穿过该真空腔，其中，每个反射光路将基于各自第一、第二和第三失准角度而与其入射光路一致，第一、第二和第三失准角度和光束宽度所具有的值限定在沿其入射光路和其反射光路传播时由第一、第二和第三光束穿过的真空腔内的相交体积。

6、根据本文的第二方面，提供一种激光冷却和捕获原子的方法，方法包括：

7、提供真空腔，其容纳有能够在真空环境中通过该原子种类的被称为冷却跃迁的电子跃迁的激励而被激光冷却的一个原子种类的原子；

8、在低于冷却跃迁的频率的失谐频率下提供激光；

9、提供具有各自第一、第二和第三光束宽度的第一、第二和第三激光束；

10、引导第一、第二和第三光束以沿各自第一、第二和第三入射光路传播穿过该真空腔，其中，第一、第二和第三入射光路偏离相互正交的布置，在正交布置中它们都相对于参考轴线形成45°对轴角度，而在这里却相对于参考轴线具有在25°到35°之间的各自第一、第二和第三对轴角度；

11、反射第一、第二和第三光束以沿其入射光路在偏离逆反射的各自第一、第二和第三反射光路中返回传播穿过该真空腔，其中，每个反射光路将基于各自第一、第二和第三失准角度而与其入射光路一致，第一、第二和第三失准角度和光束宽度所具有的值限定在沿其入射光路和其反射光路传播时由第一、第二和第三光束穿过的真空腔内的相交体积。

12、利用该做法，可以提供一种全光阱，即，一种不依赖于磁场存在的光阱。因为磁场未被用于本发明所开发的冷却效果，当然对应的光阱不需要任何磁线圈或不用提供任何其它形式的磁场发生器，因为无需在真空腔内产生磁场。也不需要塞曼减速器。

13、实现本发明的光阱不一定包括磁场发生器，因为在无磁场的情况下发生激光冷却。

14、在一些实施例中，失准角度符合以下条件中的一个或多个：

15、每个所述失准角度大于0.1°；

16、每个所述失准角度小于2°；

17、至少其中一个所述失准角度大于0.5°；以及

18、至少其中两个所述失准角度大于0.5°。

19、在一些实施例中，第一、第二和第三对轴角度彼此相等。在其它实施例中，第一、第二和第三对轴角度中的至少两个彼此不同。

20、第一、第二和第三反光器可以配置成：该参考轴线和每对入射和反射光路至少大致位于同一平面内，由此限定这种第一、第二和第三平面。第一、第二和第三平面可以在沿参考轴线看时大致等角间隔。

21、在一些实施例中，偏振部件布置成提供在进入真空腔时具有各自规定的偏振状态的第一、第二和第三光束。第一、第二和第三反光器可以配置成保证在反射时保持第一、第二和第三光束的规定偏振状态，例如圆形偏振或线性偏振。

22、对于某些原子种类，还有称为再泵浦跃迁的进一步电子跃迁，其是为了激励以发生高效冷却而需要的。在这种情况下，该激光源或另一激光源被设计成在按照再泵浦跃迁的频率调谐的另一频率下产生另一激光。光学布置结构于是可以还包括可被操作以组合所述激光和另一激光以使第一、第二和第三光束都包含所述激光和另一激光两者的光束复合器。

23、优选地，第一、第二和第三光束在其穿过真空腔时被至少大致准直化。大致准直化的特点可以是光束发散度，其中，光束发散度θ＝0对应于准直光束，本发明相关的大致准直化可以是光束发散度θ小于或等于1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°或10°。

24、在原则性实施例中，第一、第二和第三对轴角度相对于参考轴线形成在25°到35°之间的角度，而其它实施例所具有的对轴角度超过该范围。例如相对于参考轴线，下限可以低到20°、21°、22°、23°或24°，上限可以高达36°、37°、38°、39°或40°。

25、根据本文的另一方面，提供一种捕获并冷却原子的光阱，该光阱包括：

26、可被操作用于提供真空环境的真空腔，在真空环境内，一个原子种类的原子能通过该原子种类的被称为冷却跃迁的电子跃迁的激励而被激光冷却；

27、配置用于产生具有各自第一至第六光束宽度的第一至第六激光束的激光源，所有光束均具有被失谐到比冷却跃迁的频率低的频率；

28、光学布置结构，其配置成：

29、引导第一、第二和第三光束以沿偏离相互正交布置的各自第一、第二和第三入射光路传播穿过该真空腔，在正交布置中每个入射光路都相对于参考轴线形成45°对轴角度，而在此却相对于参考轴线具有在5°至40°之间的各自第一、第二和第三对轴角度；并且

30、引导第四、第五和第六光束以大致分别沿第一、第二和第三光束的光路但在相反的传播方向上传播穿过该真空腔而形成三个反向传播光束对，每个反向传播光束对的光束偏离各自下述路径，在该路径中其光路将会基于各自第一、第二和第三失准角度而一致，第一、第二和第三失准角度和第一至第六光束宽度具有的值限定由全部第一至第六光束横穿的真空腔内的相交体积。

31、提供许多可选方案，用于产生并适当引导冷却光束。例如，冷却激光源可以由一个激光器组成，其输出光束被分开以产生第一至第三光束。或者，冷却激光源可以由三个激光器组成，每个激光器产生第一至第三光束之一。可以设置第一、第二和第三反光器，它们布置成在第一、第二和第三光束已传播穿过真空腔之后将其反射，从而它们分别作为第四、第五和第六光束被返回传播穿过真空腔。激光源也可以由六个激光器组成，每个激光器产生第一至第六光束之一，在此情况下不需要反光器。

32、在一些实施例中，对于每个反向传播光束对，两个光束宽度和在两个光束之间的失准角度被联合设计成：在相交体积内确保具有较小光束面积的光束的至少一半光束面积与具有较大光束面积的光束的光束面积相交。光束宽度被限定为1/e2值并且将在光束具有圆形横截面的情况下是光束直径，或者在光束具有椭圆形横截面的情况下是用于长轴和短轴的两个值。

33、在一些实施例中，失准角度符合以下条件中的一个或多个：

34、每个所述失准角度大于0.1°；

35、每个所述失准角度小于2°；

36、至少其中一个所述失准角度大于0.5°；以及

37、至少其中两个所述失准角度大于0.5°。

38、偏振部件可以布置成提供在进入真空腔时具有各自规定的偏振状态的第一至第六光束。

39、在一些实施例中，原子种类具有称为再泵浦跃迁的进一步电子跃迁，其是激励以发生高效冷却而需要的。上述激光源或另一激光源于是设计成在按照再泵浦跃迁的频率调谐的另一频率下产生另一激光。于是，可以提供光束复合器，其可被操作以组合所述激光和另一激光，使得第一至第六光束都包含所述激光和另一激光两者。

40、第一至第六光束可以在其穿过真空腔时至少大致被准直化。大致准直化的特点可以是光束发散度，其中，光束发散度θ＝0对应于准直光束，本发明相关的大致准直化可以是光束发散度θ小于或等于1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°或10°。

41、根据以上设计的光阱与现有技术的区别是它不需要磁场发生器。

42、第一、第二和第三对轴角度可以在20°到40°之间，更特别是在25°到35°之间。

43、根据本文的另一方面，提供一种激光冷却和捕获原子的方法，其包括：

44、提供真空腔，其容纳有能够在真空环境内通过该原子种类的被称为冷却跃迁的电子跃迁的激励而被激光冷却的一种原子种类的原子；

45、在低于冷却跃迁的频率的失谐频率下提供激光；

46、提供具有各自第一、第二和第三光束宽度的第一、第二和第三激光束；

47、提供第一至第六激光束，它们具有各自第一至第六光束宽度和失谐到低于冷却跃迁的频率的频率；

48、引导第一、第二和第三光束以沿偏离相互正交布置的各自第一、第二和第三入射光路传播穿过真空腔，在正交布置中它们都会相对于参考轴线形成45°对轴角度，而在此却相对于参考轴线具有在5°到40°之间的各自第一、第二和第三对轴角度；以及

49、分别引导第四、第五和第六光束以大致沿第一、第二和第三光束的光路但在相反的传播方向上传播穿过该真空腔以形成三个反向传播光束对，每个反向传播光束对的光束偏离如下的相应路径，在该路径中，其光路将会基于各自第一、第二和第三失准角度而一致，第一、第二和第三失准角度和第一至第六光束宽度所具有的值限定由全部第一至第六光束穿过的真空腔内的相交体积。

50、总之，提供一种激光冷却和捕获原子的光阱，其具有被引导穿过真空腔中的共同相交体积的三对激光束，其中，每对都由两个反向传播光束形成。不同于在相互正交布置中每个光束对相对于参考轴线形成45°角度χ，以5°≤χ≤40°的角度来代替。另外，在每个光束对中，反向传播光束在共同路径中未像在传统的磁光阱中那样被精确对准，而是以一般为0.1°至2°的各自失准角度[α,β,κ]略微失准。但是，失准角度和光束宽度被选择成：所有六个光束的共同相交体积得以保持。这提供一种全光阱，此时的原子激光冷却和捕获在无磁场情况下发生。