[发明专利]一种选定区域内冷原子温度的测量方法

说明书

一种测量选定区域内冷原子温度的方法，该方法包括原子标记、原子扩散、原子温度计算三个步骤，本质上是通过改变原子的内部状态来标记原子，然后检测标记的冷原子的扩散过程。本发明包括无损和有损两种方式，无损是引入了偏振自由度，避免探测时改变原子的内部状态，实现了对原子近似无损的探测。该方法具有适用于超冷原子、连续测量、实时测量、操作简单、只对所需要的原子区域进行测量等优点。

技术领域

本发明涉及冷原子温度的测量，特别是一种选定区域内冷原子温度的测量方法。

背景技术

随着原子的激光冷却与陷俘技术的快速发展，冷原子温度的准确测量已成为一项重要的研究课题。在原子冷却中，冷原子温度与原子和原子之间的碰撞引起的频移、原子的损失、原子的横向移动距离密切相关，所以冷原子的温度是冷原子物理中一个重要参数。

目前对冷原子温度的测量主要采用的是飞行时间(TOF)测量法,其原理是原子在突然停止冷却或俘获的作用后，在重力作用下自由膨胀，利用一个弱的扁平的探测光的TOF成像和吸收来测量冷原子的温度。这种测量方法的缺点是：需要一个额外的下落距离和探测窗口，不利于整个系统的集成化；探测光束离冷原子团有一定的距离，探测光的信噪比低，并且不能实时测量；原子在下落的过程中会增加噪声，如原子扩散等；这是一种破坏性的测量方法。

发明内容

本发明的目的是提出了一种测量选定区域内冷原子温度的方法，分为有损和无损两种方式，并且能对原子进行无损探测，具有操作简单、破坏性小、可连续测量、可适用于超冷原子等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量选定区域内冷原子温度的方法。采用激光包括：冷却光、第一再抽运光、抽运光、第二再抽运光和探测光，所述的冷却光和第一再抽运光用于冷却原子，所述的抽运光用于改变系统内所有原子的能级状态，所述的第二再抽运光用于标记选定区域内的冷原子，探测光用于检测选定区域内的冷原子数，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

①原子标记：

利用冷却光和第一再抽运光对原子进行冷却；

开启抽运光脉冲使整个物理系统的原子处于探测光探测不到的能级上，然后开启第二再抽运光，使其照射区域内的原子处于探测光可以探测的能级上，完成对选定区域内的冷原子的标记。如果是无损的方法，在原子标记阶段引入偏振自由度，使探测光对原子进行探测时，原子只进行循环跃迁，标记的原子的状态不会改变，实现无损探测。

②原子扩散：

利用光电管接收探测光的光强变化I₀/I，计算探测区域内的原子数s₂，公式如下：

式中，s₂为探测区域内的原子数，I₀为入射光强，I为出射光强，σ为原子的光吸收截面(即一个光子通过单位面积的物质时与其中一个原子作用的概率)，z_d为探测光传播方向原子的尺寸。标记的原子随时间进行扩散，利用不同延迟时间的探测光脉冲进行扫描，获得探测区域内的原子数随时间的变化关系。

③原子温度计算：

标记的原子会随时间进行扩散，且速度分布符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。假设探测区域内的原子的速度分布是相同，且忽略重力的影响(测量时间短)。由于实验系统的几何结构，对z轴方向可以忽略，只考虑原子横截平面的二维分布，假设标记的原子最开始是集中在一条直线上，然后随时间进行扩散。探测光区域(圆形)内的原子数可以表示为：