[发明专利]一种实现纳米尺度横截面的中性冷原子激光导引的方法

说明书

技术领域

本发明涉及中性冷原子导引领域，特指一种在纳米尺度横截面的中性冷原子激光导引方法，适用于任何类型中性冷原子的导引。

背景技术

自从1975年Hansch等人提出激光冷却原子的概念以来，激光冷却、囚禁与操控中性原子的理论与实验研究取得了一系列重大的进展，使得激光科学、量子光学和冷原子、分子物理学等发生了重大的变革，开创了一个全新的研究领域。原子的激光导引、囚禁与操控依赖于光场对中性原子的作用，实际上是利用光场的梯度对原子所产生的偶极力。在没有外场作用时，中性原子是电中性的，并且内部电子分布是球对称的，因而中性原子没有永久电偶极矩。但是，当一个二能级原子在非均匀激光场中运动时，原子将被感应出一个电偶极矩，并且原子将受到激光感应的电偶极力作用，从而原子因受到激光场的偶极相互作用而改变原子的运动状态。这一原子电偶极矩的激光感应现象通常称之为交流Stark效应。当光场与原子共振为红失谐时，相互作用势为吸引势，原子被吸引到光强最强的地方；而光场为蓝失谐时，相互作用势为排斥势，原子被推向光强最弱的地方。因此，利用红失谐（或蓝失谐）激光场与中性原子间的偶极相互作用，即可实现冷原子的激光导引、囚禁与操控。

Ol’shanii等人在1993年首先提出了利用中空光纤中红失谐高斯模式激光场来导引中性原子的思想，Cornell小组首先实验实现了中性原子的中空光纤红失谐激光导引。Pruvost等人在1999年利用红失谐的Nd：YAG高斯激光束（波长为1.064μm）实现了⁸⁷Rb冷原子的激光导引。2004年，Balykin等人提出了一种用直径相当于波长量级的中空光纤实现原子囚禁与导引的方案，同年他们又提出了一种用双色消逝波激光场的中空光纤实现原子囚禁与导引的方案。2005年，中科院武汉数学物理研究所也实验实现了⁸⁵Rb原子在暗空心光束中的水平导引。虽然原子的激光导引的研究已取得了巨大的成就，但受光的衍射极限的影响，传统的聚焦光斑大小或者传播光束直径一般只能限制在半波长量级的线度范围，从而至今为止实现的冷原子光学导引的光场横截面的尺度一般在微米量级，因此这将对原子光学的基础研究和技术特征带来一些不足，如原子棱镜像差、原子物质波的低衍射效率、原子物质波干涉条纹的对比度极限限制等等。与此同时，随着微细加工技术和集成光学的不断发展，光学元器件的不断小型化已经接近了光的衍射极限，这将会导致在纳尺度的原子光学囚禁与操控遭遇到瓶颈。因此，如何获得突破衍射极限的各种纳尺度原子的激光导引技术是目前原子物理领域和微纳光学的一大研究热点。表面等离激元是基于电磁场和金属纳米结构中传导电子相互作用引起的一种近场光学增强效应，它具有将电磁场能量局域在突破衍射极限的纳米尺度空间范围的特性。本发明的思路是利用特征尺度小于波长的金属导体结构产生突破衍射极限的表面等离激元来产生纳米尺度横截面光场，从而实现中性冷原子导引。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用纳米尺度横截面光场实现中性冷原子激光导引的方法。利用电磁场和金属劈尖中传导电子相互作用产生表面等离激元，它具有将电磁场能量局域在突破衍射极限的空间范围的特性，同时它是一种近场光学增强效应，它可以实现中性冷原子在纳米尺度横截面光场上的导引。这种方法原理简单,操作方便，可重复性好,能实现各种中性冷原子的纳米尺度导引，应用范围非常广泛。

本发明提出的基于表面等离激元技术实现纳米尺度横截面光场中性冷原子激光导引的方法，是经过激光在两金属劈尖侧面激发形成表面等离激元，表面等离激元在空间叠加形成纳米特征尺寸的横截面光场，从而对导入的中性冷原子束形成在纳米尺度横截面光场上的中性冷原子的激光导引。

本发明方法的具体步骤是：

（1）将横截面是三角形的第一金属劈尖和第二金属劈尖，安装放置到激光光路系统中；

（2）调节激光光路，使其辐射两个金属劈尖，激发表面等离激元，产生纳米尺度横截面光场；

（3）利用中性原子的磁光阱激光冷却、偏振梯度冷却和射频蒸发冷却方法实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚体；

（4）利用两束阻塞光束使玻色-爱因斯坦凝聚体中的中性冷原子形成一般横截面的冷原子束；

（5）进行一般横截面的冷原子束向纳米尺度横截面光场的装载，进行纳米尺度横截面光场的冷原子激光导引；

(6)原子探测器利用近共振原子吸收成像技术测量原子的数目、密度和原子束的横截面尺寸。