一种高束流低速选择式冷原子源发生装置及实验装置

1.本发明涉及一种原子源装置，具体是一种可搬运集成化的高束流低速选择式冷原子源发生装置及实验装置。


背景技术：

2.光晶格钟是一种原子钟，是基于冷原子气体的时频测量，以原子中电子的振动为振子的时钟，如果振动的频率在光波段，时钟就称为光钟，而光晶格钟是光钟的一种。最近十年，中性原子的光晶格钟在频率不确定度和频率稳定度上取得了突破性进展，尤其是锶原子光晶格钟，其频率不确定度和频率稳定度都进入了万秒e-18量级。如今，光晶格钟正在逐步向可移动化发展，其先决条件就是原子源的小型化和集成化设计，因此高效且集成的原子源成为了当前的一个研究热点。
3.例如，碱土金属锶或碱金属铷等，在常温下一般呈固体状态。而在冷原子实验中，需要的是冷原子气体。原子源装置的作用就是将减速原子转换成低速原子气体，为科学主腔的磁光阱装载和光晶格装载作预备。
4.原子源设计中常用的技术有两种：塞曼减速器和二维磁光阱。其中基于塞曼减速器的传统型原子源装置采用直连式的设计，原子气体经过塞曼减速后直接进入冷原子科学主腔。这种设计有很多弊端，主要有：(1)被减速的低速原子和未减速的高速原子没有进行速度选择而全部进入科学主腔内，其中进入的高速原子会带来负面影响，比如增加原子的碰撞产生加热效应、降低光晶格的寿命等；(2)此装置需要配合机械式电动阀门来控制原子源的开关，增加了系统运行风险，且响应速度慢；(3)直连式的设计，使得高速和低速原子都进入科学主腔，导致原子源的真空度往往会限制科学主腔的真空度，从而降低了主腔光晶格的寿命；(4)在光钟实验应用中，直连式的设计导致高温原子炉正对着原子样品，其产生的黑体辐射效应在很大程度上限制了光钟实验的稳定度和不确定度。
5.基于二维磁光阱的原子源装置采用偏转式的设计，可以在一定程度上避免直连式原子源的问题。然而，现有的二维磁光阱的弊端在于难以同时实现低速度和高流量的性质。当二维磁光阱的临界速度设计地比较低时，原子流量就不能很高。
6.此外，线圈式的塞曼减速器和线圈式的二维磁光阱，都需要较大的功耗，而且体积很大，难以进行小型化。然而，在实际的工程应用中，越来越需要小型化和可搬运的原子源装置。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种可搬运集成化的高束流低速选择式冷原子源发生装置及实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种高束流低速选择式冷原子源发生装置，包括同轴依序布置在真空腔体中的原子炉、塞曼减速器、横向冷却器和热窗，所述横向冷却器和热窗之间设置有至少一个低速选
择器，所述低速选择器的零磁场轴线方向设有真空差分管，所述低速选择器的零磁场轴线与从原子炉出来的原子束运动方向之间有夹角；还包括光学单元，所述光学单元将低速度的原子束沿着所述低速选择器的零磁场轴线方向运行而进入真空差分管中。
10.进一步方案，所述的光学单元包括塞曼减速光、横向冷却激光和选速激光；所述塞曼减速光和原子束进入塞曼减速器的方向相反并对原子束进行减速；所述横向冷却激光进入横向冷却器内对其中低速原子束的发散角进行压窄；所述选速激光使位于低速选择器内的低速度原子束沿着低速选择器的零磁场轴线方向运动而进入真空差分管中，并通过控制选速激光的通、断来控制进入真空差分管中的实时原子束流的通、断。
11.本发明将低速选择器、塞曼减速器与横向冷却器相配合，从而获得高流量的低速原子束流。通过调节低速选择器的磁场梯度、选速激光的尺寸、频率等，可以调节对原子束的速度选择范围。通过调节塞曼减速光的频率，可以调节原子束减速后的速度落在低速选择器的选速区间内；通过施加横向冷却光，可以增大低速选择器的选速区间内原子束的比例。
12.进一步方案，所述真空腔体为圆柱形不锈钢或钛合金管道，其内部为真空状态；所述原子炉、塞曼减速器、横向冷却器、低速选择器和热窗分别固定在真空腔体的内部。
13.所述真空腔体的侧壁均匀开设有多个通光孔，通光孔上安装有真空窗口，供外部光源通入；所述真空腔体的两端口均设有光学窗口。
14.进一步方案，所述真空腔体与外设的真空泵连接，使真空腔体的内部真空保持在5
×
10-9mba。
15.进一步方案，所述原子炉为高温原子炉，其工作温度为25℃-650℃，温度波动低于0.1℃；所述高温原子炉的炉膛内周固设有三层热屏蔽，使得高温原子炉在高温工作时其外壁的温度低于60℃。
16.进一步方案，所述塞曼减速器的内部设置有永磁体阵列而形成塞曼磁场，使得原子炉产生的高速运动状态的原子束在塞曼磁场中被逆向运动的塞曼减速光连续减速至低速状态。
17.进一步方案，所述横向冷却器设置于塞曼减速器的后方，或内置于塞曼减速器的内部；所述横向冷却器的外壁上开设有与其内腔相连通的激光入口；所述激光入口有四个，其分别布置在垂直于原子束运动方向的两个正交方向上。
18.进一步方案，所述热窗的内部嵌入了一耐高温的通光镜片，所述通光镜片的材质为蓝宝石材料或石英材料，其工作温度为25℃-350℃、温度波动低于0.1℃。热屏蔽为有一定厚度的圆筒形无磁不锈钢材料。
19.所述低速选择器为二维磁光阱，所述低速选择器设有多个，并采用级联的方式设置，每一个低速选择器的零磁场轴线与原子束进入方向之间存在夹角，并使最后一个低速选择器的零磁场轴线与真空差分管轴线相重合。
20.进一步方案，所述原子束是由碱金属或碱土金属固体在原子炉中加热、喷射而形成的，其中碱金属固体包括锂(li)、钠(na)、钾(k)、铷(rb)、铯(cs)、钫(fr)，碱土金属固体包括铍(be)、镁(mg)、钙(ca)、锶(sr)、钡(ba)、镭(ra)。
21.本技术的另一个目的是提供一种冷原子源实验装置，包括如权利要求1-8所述的冷原子源发生装置和实验腔，所述冷原子源发生装置中的真空差分管(8)的出口与所述实
验腔连接。
22.进一步方案，所述实验腔上开设有至少一个接口，每一个接口分别与一个所述冷原子源发生装置中的真空差分管的出口连接；每一个所述冷原子源发生装置中的原子束种类相同或不同。
23.本技术中塞曼减速器是基于塞曼减速原理的物理装置，在其内部设置有永磁体阵列而形成塞曼磁场，通过激光将原子束从高速运动状态降低到低速运动状态，如其入口处的平均原子速度约为数百m/s，而其出口的平均原子速度可降为10m/s。
24.本技术结合了高温原子炉、塞曼减速器、横向冷却器、低速选择器等构成集成化小型化的原子源装置，可以直接输出高流量的低速原子气体。并且可通过调节光学单元中激光频率参数，可以在
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sr原子源、
87
sr原子源、
86
sr原子源和
84
sr原子源之间切换。对于
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sr而言，从真空差分管出来后的原子流量在2
×
109atoms/s以上。
25.本技术兼具小型化、可搬运、简易操作、低功耗等优势。具体为：
26.在小型化方面，将高温原子炉、塞曼减速器、横向冷却器、低速选择器等机械结构和永磁体都集成化设计到真空腔体内，其为圆柱形不锈钢或钛合金管道，管道总长小于500mm，整个设备的体积小。
27.在可搬运方面，由于只需要将真空差分管的出口与冷原子实验主腔之间进行连接，因此方便拆除与安装；另外，在冷原子实验主腔的连接口处设置门阀等器件，可以在拆除与安装冷原子源发生装置时保证科学主腔的超高真空不受影响。
28.在简易操作方面，只需要向装置内输入塞曼减速光、横向冷却激光、选速激光即可将原子束进行减速、冷却后输出低速冷原子束流。
29.在低功耗方面，塞曼减速器和低速选择器的磁场都可以由永磁体阵列提供，不需要外部电流源功能。
30.本技术中塞曼减速器能对原子进行减速，即将原子速度从原始速度v0减到v1，即将原子划分为速度大于v1和速度低于v1两个区间，大幅度增加了速度低于v1的原子数量比例；横向冷却器对低速原子进一步准直，利于提升低速选择器的作用效果；低速选择器对原子具有速度选择的特性，其中速度低的原子被偏转到零磁场轴线方向而进入真空差分管中，速度高的原子无法有效被偏转到零磁场轴线的方向而直接直线运行，因此只有低速较冷的原子可以进入科学实验主腔，从而避免了高速原子带来负面影响。
31.本技术不需要机械阀门来对原子流进行开关，可以使用选速激光进入低速选择器内形成的光场来实现对进入真空差分管中的原子束流进行开关，因此具备光控原子束流的开关特性和调流特性，响应速度更快，系统稳定性高。
32.本技术中将低速选择器与真空差分管相结合的设计，可以使得科学主腔内的真空度很高。例如，即使原子源真空度仅10-9mbar量级，仍然可以使得主腔保持在超高真空10-11mbar量级，从而大大增加了主腔冷原子的寿命，利于开展冷原子调控和量子精密测量等科学实验。
33.本技术中在高温原子炉和真空差分管之间设置至少一个低速选择器，使得高温原子炉不会正对着科学主腔中的原子，这消除了高温原子炉对科学主腔内原子的黑体辐射效应。
34.另外，本发明结合塞曼减速器和横向冷却器，提升了二维磁光阱的原子流量和有
效偏转性能；再结合差分管的设计，不仅提升了速度筛选性能，而且提升了原子准直性能，还提升了科学主腔的真空性能。
附图说明
35.图1为本发明的原理示意图；
36.图2为本发明中实施例一的结构示意图；
37.图3为本发明实施例二的结构示意图；
38.图4为本发明实施例一中
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sr的蓝磁光阱装载率与塞曼减速光的参数失谐和功率的关系；
39.图5为本发明实施例一中
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sr的蓝磁光阱装载率与横向冷却光的参数失谐和功率的关系；
40.图6为本发明实施例一中
88
sr的蓝磁光阱装载率与2d mot选速激光的参数失谐和功率的关系；
41.图7为本发明实施例一中
88
sr的蓝磁光阱装载率与原子炉温度的关系；
42.图8为本发明实施例一中低速选择器对不同速度的原子的作用效果；
43.图9为本发明实施例一中低速选择器的临界速度与选速激光频率的关系；
44.图10为本发明实施例一中低速选择器的临界速度与选速激光尺寸的关系；
45.图11为本发明实施例一中塞曼减速器、横向冷却器与原子速度关系。
46.图中：其中1-原子炉；2-塞曼减速器；3-横向冷却器；4-低速选择器；5-选速激光；6-塞曼减速光；7-热窗；8-真空差分管；9-横向冷却激光。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例一：
49.请参阅图1、2，本发明实施例中，一种可搬运集成化的高束流低速选择式冷原子源发生装置，包括同轴依序布置在真空腔体中的原子炉1、塞曼减速器2、横向冷却器3和热窗7，所述横向冷却器3和热窗7之间设置有低速选择器4，所述低速选择器4的零磁场轴线方向设有真空差分管8，所述低速选择器4的零磁场轴线与从原子炉1出来的原子束运动方向之间有夹角；还包括光学单元，所述光学单元将低速原子束沿所述低速选择器4的零磁场轴线方向运行而进入真空差分管8中；而高速原子束沿着原方向继续运行。
50.图1中v0表示原子束的初始速度，v1表示原子束被减速后的末速度；θ表示进入真空差分管中中低速原子束偏转的最终角度；θ1、
…
、θn：多级低速选择器对应每一级低速选择器的偏转角度。
51.如图2、8所示，本实施例中原子炉1产生的高速运动状态的原子束经塞曼减速器2、横向冷却器3减速、冷却后，其中速度低于60m/s的原子束经低速选择器4选择而进入真空差分管8中，而速度高于60m/s的原子束沿原直线方向继续运行。即低速选择器对不同速度的
原子具有选择性，并实现有效地对原子速度进行选择。
52.在实际工作中，可根据实际需要的进行实验的冷原子性能，通过于塞曼减速器中的塞曼磁场的线型来调整减速后的原子束速度的大小；而对最终冷原子速度的选择可通过低速选择器的设置数量、角度及选速激光的功率等来根据实际情况进行选择。如图9、10所示，通过控制选速激光的频率或尺寸，可以调节低速选择器的临界速度，实现自定义选速功能。
53.进一步方案，所述的光学单元包括塞曼减速光6、横向冷却激光9和选速激光5；所述塞曼减速光6和原子束进入塞曼减速器2的方向相反并对原子束进行减速；所述横向冷却激光9进入横向冷却器3内对其中的原子束的发散角进行压窄；所述选速激光5使位于低速选择器4内的低速度原子束沿着低速选择器4的轴线方向运动而进入真空差分管8中，并通过控制选速激光5的通、断来控制进入真空差分管8中的实时原子束流的通、断。
54.即使用选速激光进入低速选择器内形成的光场来实现对进入真空差分管中的原子束流进行开关，而不需要机械阀门来对原子流进行开关，具有响应速度更快、系统稳定性更高的特点。本技术中塞曼减速器是一种基于塞曼减速原理的物理装置，其内部设置有永磁体阵列而形成塞曼磁场，使得原子炉1产生的高速运动状态的原子束在塞曼磁场中被逆向运动的塞曼减速光6连续减速至低速状态。即通过塞曼减速光6将原子束从高速运动状态降低到低速运动状态，即将原子速度从原始速度v0减到v1，即将原子划分为速度大于v1和速度低于v1两个区间，大幅度增加了低速原子的有效占比。其中速度v0和v1取决于塞曼减速器中的塞曼磁场的线型，而磁场线型可由永磁体阵列可调。为了实现小型化的设计，较小的v0可以大幅度简化塞曼减速器的尺寸，同时大幅度降低塞曼减速光的功率需求。在本实施例中可设发生的原子束的原始速度v0为40-260m/s，减速后的原子束的速度v1小于40m/s。横向冷却激光可以进一步提高低速原子的准直器，使得低速选择器可以更加有效工作。由于v1已经很低，所以降低了横向冷却激光的功率和尺寸要求。之后通过低速选择器对原子的速度进行选择，其中速度低于v1区间的原子被偏转到零磁场轴线方向而进入真空差分管中；而速度大于v1区间的原子无法有效被偏转到零磁场轴线的方向而直接直线运行。如图11所示，通过控制塞曼减速光的频率可以微调原子减速区间，通过施加横向冷却激光可以增大低速原子比例，从而实现与低速选择器的有效匹配，大幅度提升原子源的低速原子流量。图11中a为未减速的热原子速度分布；b为施加-500mhz失谐的塞曼减速光后的原子速度分布；c为施加-450mhz失谐的塞曼减速光后的原子速度分布；d为施加-450mhz失谐的塞曼减速光和-40mhz的横向冷却光后的原子速度分布。
55.进一步方案，所述真空腔体为圆柱形不锈钢或钛合金管道，其内部为真空状态；所述原子炉1、塞曼减速器2、横向冷却器3、低速选择器4和热窗7分别固定在真空腔体的内部，如通过螺栓固定在管道的内壁，互相之间没有直接接触。所述真空腔体的侧壁均匀开设有多个通光孔，供外部光源横向冷却激光9和选速激光5通入；所述真空腔体的两端口均设有光学窗口，塞曼减速光6从另一端逆向原子运动方向通过光学窗口进入。
56.本实施例中，真空腔体与外设的真空泵连接，使真空腔体的内部真空保持在5
×
10-9mba。
57.本实施例中原子炉1为高温原子炉，其工作温度为25℃-650℃，温度波动低于0.1℃；所述高温原子炉的炉膛内周固设有三层热屏蔽，热屏蔽为有一定厚度的圆筒形无磁不
锈钢材料构成，防止热量外散，从而使得高温原子炉在高温工作时其外壁的温度低于60℃。
58.横向冷却器3设置于塞曼减速器2的后方，或内置于塞曼减速器2的内部；所述横向冷却器3的外壁上开设有与其内腔相连通的激光入口；所述激光入口有四个，其分别布置在垂直于原子束运动方向的两个正交方向上。
59.进一步方案，所述热窗7的内部嵌入了一耐高温的通光镜片，所述通光镜片的材质为蓝宝石材料或石英材料，其工作温度为25℃-350℃、温度波动低于0.1℃。
60.所述低速选择器4为二维磁光阱，二维磁光阱是基于原子与光的相互作用原理的装置。本实例中采用了并排阵列设置的永磁体，永磁体形成带有一条零磁场轴的二维磁光阱梯度磁场，选速激光5垂直于磁场轴入射形成2d mot光场，使水平进入的原子束在2d mot光场作用下沿着零磁场轴射出。
61.本技术中塞曼减速器、低速选择器可选但不建议采用线圈式的磁场设计，而是采用永磁体阵列式的设计，从根本上解决了功耗的问题。
62.所述低速选择器4设有多个，相互之间采用级联的方式设置，每一个低速选择器4偏转角度一定角度，最终使最后一个低速选择器4的零磁场轴线与真空差分管8轴线相重合。
63.进一步方案，所述原子束是由碱金属或碱土金属固体在原子炉1中加热、喷射而形成的，其中碱金属固体包括锂(li)、钠(na)、钾(k)、铷(rb)、铯(cs)、钫(fr)，碱土金属固体包括铍(be)、镁(mg)、钙(ca)、锶(sr)、钡(ba)、镭(ra)。
64.图4、图5、图6、图7是以
88
sr原子为例来说明各个部件的光学参数优化过程。在原子源对接到实验腔中，利用
88
sr蓝磁光阱(蓝mot)过程的装载率来评测塞曼减速光、横向冷却激光、选速激光的参数设置以及原子炉温度设定(由于蓝磁光阱装载存在一定的装载效率，因此实际的原子束流大于蓝mot的装载率)。
65.如图4所示，塞曼减速光在本示例中，设置相对于原子的共振频率在-415mhz、激光功率40mw时，蓝磁光阱装载率最佳。
66.如图5所示，横向冷却器的横向冷却激光在本示例中设置在-22mhz(相对于原子共振频率)最佳，在节省功率的考虑下只需要4mw的激光即可。
67.如图6所示，选速激光(二维磁光阱)在本示例中设置在-18mhz(相对于原子共振频率)最佳，2d mot光提供在25mw的光以上。
68.如图7所示，在不同原子炉温度下的原子源输出性能，可见原子源输出流量随着炉温的增加而增加装载率，原子流量在580℃达到峰值2
×
109atoms/s。
69.实施例二：
70.一种冷原子源实验装置，包括实施例1的冷原子源发生装置和实验腔，所述冷原子源发生装置中的真空差分管8的出口与所述实验腔连接。
71.如图3所示，多个原子源发生装置s1、s2、
…
、sn，按照一定的角度θ
12
、θ
23
、
…
、θ
in
组合连接在一个多接口的真空实验腔体上，实现混合式原子源。例如s1可以作为
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sr原子源发生装置，s2可以作为
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sr原子源发生装置，s3可以作为
86
sr原子源发生装置、s1可以作为
84
sr原子源发生装置，实现了sr多同位素冷原子源发生装置，用于特定的同位素混合原子科学实验中。
72.另外，s1、s2、
…
、sn可以分别装载不同原子种类的固体，实现多原子混合气体的冷
原子源发生装置，用于混合原子气体科学实验中。
73.虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
74.故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。