[发明专利]集成化通用冷原子科学实验腔

说明书

本发明公开一种全新的集成化通用冷原子科学实验腔，包括真空腔、光学安装盘和磁场线圈组件。本发明装置功能全面，拥有各类共计24个光学窗口，另外本发明的磁场线圈可变向，可以提供大的梯度范围以及单向强磁场的大磁场线圈以及可快速扫描的快变线圈，可以满足超冷原子实验时冷却，探测，成像，以及各类科学实验所需的光阱，一维、二维、三维、六角、三角等目前冷原子、超冷原子常见所有光晶格激光的通光需求，以及相应磁场的需求。作为科学实验的载体，本发明为冷原子物理实验工程化系统提供了一种解决方案。

技术领域

本发明涉及激光冷却，原子物理，以及超高真空等领域，特别是一 种主要用于冷原子实验的装置。

背景技术

以玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation，简称BEC) 为代表的超冷原子物理是近十几年来蓬勃兴起的一个新兴科学领域。以 目前的发展势头，可以预见在未来二十年内它仍将是物理学最前沿、最 引人注目、最具有活力的领域之一。这个新兴领域在物理学与科学技术 的发展史上的重要地位是不言而喻的，该领域及相关领域因原子的激光 冷却(1997年)，玻色—爱因斯坦凝聚的实现(2001年)以及光的量子 相干性与精密光谱学的发展(2005年)，以及基于超冷原子光晶格技术 的原子钟与量子操控技术(2012年)先后四次摘取诺贝尔物理学奖桂冠。 作为量子科技的一部分，基于量子传感的超冷原子实验更是其中最关键 的部分。超冷原子实验中科学腔是所有实验的基础，是进行实验必不可少的组部件。它承担了实验中操纵原子所必须的激光，磁场，微波，射 频等关键物理量的馈入，另外这些关键物理量对应馈入角度是有严格要 求的。一个功能全面的冷原子科学实验腔不仅仅可以为不同物理实验提 供上述必要条件，还有利于整机的工程化，产业化。

超高真空，在冷原子制备的过程中，真空环境是一个基础且必要的 条件。对于超冷原子实验如若腔室真空度不高，则由于背景气体原子密 度高，原子平均自由程短，背景气体原子与磁光阱中冷原子碰撞，冷原 子很容易通过碰撞获得能量逃逸出磁光阱的俘获，这就使得冷原子寿命 较短，无法进行接下来的磁阱俘获以及蒸发冷却。再就是，背景气体原 子荧光较强，会对俘获冷原子探测有影响。因此超冷原子实验都要求实 验腔体内真空度达到10^-9Pa量级的超高真空。

磁光阱，主要是基于激光冷却技术。原子在静磁场与光场的混合力 阱作用下被冷却。磁光阱的发明给激光冷却与原子陷俘带来了极大便利， 不仅仅技术简单易实现，还很容易获得温度足够低，足够数目(一般是 10⁷～10¹⁰)的冷原子。如图5所示，磁光阱的光场主要由三个正交方向 的σ⁺-σ^-驻波场组成，磁场由一对半径相同的反赫姆霍兹线圈提供。 原子在三个维度的方向上都被减速，从而被冷却陷俘。

为满足上述技术要求，一方面是真空腔体，另外一方面就是磁场和 激光的要求，除了能馈入相关实验用的激光以及磁场外，实验本身还对 馈入的物理量有具体方向的严格要求。因此科学实验腔体的构型就非常 重要。另外腔体材料的选择也是必不可少的细节。好的腔体构型可以满 足多种科学实验的需求。整个结构的小型化，工程化伴随着现阶段科学 发展的形势也越来越重要。

传统的超冷原子物理实验，通常腔体都是立方体形式的玻璃腔，配 合金属法兰，真空泵系统，光学系统，磁场单元等构成实验系统。整套 系统异常庞大，复杂。具体应用过程中也有诸多问题：

1)玻璃腔结构脆弱，安装过程误操作或操作不当会造成不可挽回的 损失；

2)系统结构复杂，不可搬运，腔体结构造成了工程化，小型化难度 增大；

3)科学实验上不能满足所有实验需求，实验调整会造成结构上的全 方位的变动，重新恢复系统需要时间很长；

3)科学实验中大磁场情况下功耗巨大，为散热需要用中心通水的矩 形铜导线来绕制磁场线圈。水冷散热带来的微震动将导致磁场的抖动会 影响冷原子实验的最终结果；

发明内容