一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法
阅读说明：本技术 一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法 (Device and method for detecting diffusion of cold atoms cooled by diffuse reflection laser ) 是由 王秀梅 陈景标 何进 王亮 刘亚轩 高连山 李春来 胡国庆 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法,涉及激光冷却技术领域。本发明包括冷原子团、注入光纤和圆柱形腔体,圆柱形腔体为空腔结构,冷原子团设置在圆柱形腔体内部,注入光纤放置在圆柱形腔体一侧,圆柱形腔体一侧设置有第一开口,注入光纤的位置与第一开口的位置相适应,注入光纤一端发散出若干弥散探测光。本发明利用弥散吸收探测技术,有效地增大了冷原子与探测光的相互作用区域,提高了可以被探测到的冷原子数目,实现了提高冷原子利用率的目标,不仅可增大冷原子与探测光的相互作用区域,并解决现有技术中所存在的冷原子利用率低等问题,而且装置结构简单、易实现,且材料和加工成本低。(The invention discloses a device and a method for detecting diffusion of cold atoms cooled by diffuse reflection laser, and relates to the technical field of laser cooling. The cold atomic group injection device comprises a cold atomic group, an injection optical fiber and a cylindrical cavity, wherein the cylindrical cavity is of a cavity structure, the cold atomic group is arranged in the cylindrical cavity, the injection optical fiber is arranged on one side of the cylindrical cavity, a first opening is formed in one side of the cylindrical cavity, the position of the injection optical fiber is matched with that of the first opening, and a plurality of dispersed detection light is emitted from one end of the injection optical fiber. The invention effectively enlarges the interaction area of the cold atoms and the detection light by using the dispersion absorption detection technology, improves the number of the cold atoms which can be detected, realizes the aim of improving the utilization rate of the cold atoms, not only can enlarge the interaction area of the cold atoms and the detection light, but also solves the problems of low utilization rate of the cold atoms and the like in the prior art, and the device has simple structure, easy realization and low material and processing cost.)
技术领域
本发明属于激光冷却技术领域，特别是涉及一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法。
背景技术
激光冷却是近年来物理学的重大进展，作为重要的技术手段，意义主要在于两方面，一方面在于能够克服多普勒效应，降低与原子速度相关物理因素对于精确物理常数的测量的影响，其中最典型的就是利用冷原子实现频率的精确测量，并以此为基础，实现长度、里德伯常数、精细结构产常数和约瑟夫森常数等更精密和准确的测量；另一方面，激光冷却还促进了一些新的学科和技术的发展，比如冷原子频标、冷原子重力仪、冷原子陀螺仪、光镊等。目前实现激光冷却的方法主要包括：漫反射激光冷却、磁光阱激光冷却、光学黏团和玻色-爱因斯坦凝聚BEC等。其中漫反射激光冷却作为目前一种实用且简易的冷却机制，其主要利用球形或者圆柱形空心腔体内壁的高漫反射特性，该内壁会对激光束进行各个方向的漫反射，经过多次漫反射的激光束会在腔体内形成各向同性光场。当热原子位于腔体内时，某一速度的热原子将与光线自动匹配一个特定角度进行相互作用，从而实现减速并冷却至低于原子的多普勒冷却极限。该冷却方法可实现空间大范围的激光冷却，获取大尺寸的冷原子团，具有全光冷却、无需磁场、光束偏振无要求、光路简单、易实现等优点。但是目前受限于探测方法，冷原子团中仅有少部分冷原子可以被利用，即冷原子利用率略低，限制了该技术在冷原子频标等领域中的进一步推广应用。积分球冷原子钟基于这种激光冷却可以得到高精度的时间频率信号，但是由于冷原子利用率略低，导致该原子钟的精度性能难以进一步提升。
现有漫反射激光冷却技术主要采用的是对碱金属原子的单光束吸收探测法，该方法主要采用单光束直接穿过冷原子团，通过检测冷原子对光束光强的吸收情况来推算出冷原子数目，从而达到探测的目的。这种方法中，只有被光束穿过的部分冷原子才能被探测到，并被提取并形成最终的冷原子信号，即冷原子利用率仅由光束的光斑尺寸决定，存在单光束周围大部分冷原子没有没探测到，即大部分冷原子没有被利用到的问题。目前经过漫反射激光冷却后的总原子束在E9量级，但受限于单光束探测法，仅有E7量级的冷原子成为最终被探测到，即冷原子利用率仅约为1/100。为了进一步提高冷原子利用率，目前最有效的方法就是提高冷原子与光束的作用区域，使更多区域内的冷原子被探测到。
发明内容
本发明的目的在于提供一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法，解决现有的冷原子利用率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置，包括冷原子团、注入光纤和圆柱形腔体，所述圆柱形腔体为空腔结构，所述冷原子团设置在圆柱形腔体内部，所述冷原子团作为探测介质，整体形状近似球形，其中心区域密度最大，边缘区域密度逐渐稀薄，所述注入光纤放置在圆柱形腔体一侧，注入光纤作为弥散探测光的注入载体，具有一定的数值孔径，以此其输出的弥散探测光必定具有一定角度，是探测光弥散分布的实现条件，所述圆柱形腔体一侧设置有第一开口，所述注入光纤的位置与第一开口的位置相适应，所述注入光纤一端发散出若干弥散探测光，弥散探测光作为探测手段，主要由注入光纤以一定发散角输出至自由空间形成。
进一步地，所述弥散探测光通过第一开口进入圆柱形腔体内部，所述圆柱形腔体内表面装嵌有漫反射镀层。
进一步地，所述弥散探测光与漫反射镀层之间相互配合，所述圆柱形腔体上方设置有光电探测器。
进一步地，所述圆柱形腔体上表面设置有第二开口，所述光电探测器的位置与第二开口的位置相适应。
一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据钟周期运行时序，首先漫反射激光冷却过程回对原子进行冷却，冷却至uK量级并形成中心密度大，边缘密度逐渐稀薄的冷原子团；
步骤二：之后探测光会以一定的发散角入射进积分球冷原子钟微波腔内，经其内表面多次漫反射后形成一个空间上光强弥散分布、各向同性的大体积光场并与原子进行相互作用；
步骤三：特定速度的原子将根据最大跃迁概率原则自动匹配某一特定角度的光线进行相互作用，因此微波腔内的原子均可以感受到光场的作用力从而吸收光子。
本发明具有以下有益效果：
1、本方法利用弥散吸收探测技术，有效地增大了冷原子与探测光的相互作用区域，提高了可以被探测到的冷原子数目，实现了提高冷原子利用率的目标。
2、本发明中漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法，可以在周期性时序运行过程中，通过光开关开启和关断作用，实现重复的漫反射激光冷却冷原子制备和冷原子与探测光的弥散相互作用，进而产生大数目的冷原子信号。
3、本发明中漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置和方法，不仅可增大冷原子与探测光的相互作用区域，并解决现有技术中所存在的冷原子利用率低等问题，而且装置结构简单、易实现，且材料和加工成本低，同时方法合理，易操作。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为漫反射激光冷却冷原子弥散探测装置的结构示意图；
图2为漫反射激光冷却冷原子弥散探测时序运行示意图；
图3为漫反射激光冷却冷原子弥散探测装置相互作用过程的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、冷原子团；2、弥散探测光；3、注入光纤；4、漫反射镀层；5、圆柱形腔体；6、光电探测器；7、第一开口；8、第二开口。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
请参阅图1-3所示，本发明为一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的装置，包括冷原子团1、注入光纤3和圆柱形腔体5，圆柱形腔体5为空腔结构，冷原子团1设置在圆柱形腔体5内部，冷原子团1作为探测介质，整体形状近似球形，其中心区域密度最大，边缘区域密度逐渐稀薄，注入光纤3放置在圆柱形腔体5一侧，注入光纤3作为弥散探测光2的注入载体，具有一定的数值孔径，以此其输出的弥散探测光2必定具有一定角度，是探测光弥散分布的实现条件，圆柱形腔体5一侧设置有第一开口7，注入光纤3的位置与第一开口7的位置相适应，注入光纤3一端发散出若干弥散探测光2，弥散探测光2作为探测手段，主要由注入光纤3以一定发散角输出至自由空间形成。
弥散探测光2通过第一开口7进入圆柱形腔体5内部，圆柱形腔体5内表面装嵌有漫反射镀层4。
弥散探测光2与漫反射镀层4之间相互配合，圆柱形腔体5上方设置有光电探测器6，圆柱形腔体5上表面设置有第二开口8，光电探测器6的位置与第二开口8的位置相适应。
一种漫反射激光冷却冷原子弥散探测的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据钟周期运行时序，首先漫反射激光冷却过程回对原子进行冷却，冷却至uK量级并形成中心密度大，边缘密度逐渐稀薄的冷原子团1；
步骤二：之后探测光会以一定的发散角入射进积分球冷原子钟微波腔内，经其内表面多次漫反射后形成一个空间上光强弥散分布、各向同性的大体积光场并与原子进行相互作用；
步骤三：特定速度的原子将根据最大跃迁概率原则自动匹配某一特定角度的光线进行相互作用，因此微波腔内的原子均可以感受到光场的作用力从而吸收光子。
实施例二：
本发明中漫反射激光冷却冷原子弥散探测装置如图1所示，其中冷原子团1作为探测介质，整体形状近似球形，其中心区域密度最大，边缘区域密度逐渐稀薄；弥散探测光2作为探测手段，主要由注入光纤3以一定发散角输出至自由空间形成；注入光纤3作为弥散探测光2的注入载体，具有一定的数值孔径，以此其输出的弥散探测光2必定具有一定角度，是探测光弥散分布的实现条件；漫反射镀层4位于圆柱形腔体5内表面，一般漫反射率在97％以上，可将以一定角度注入的探测光通过多次漫反射的过程形成各向同性的弥散探测光场；圆柱形腔体5作为激光冷却的场所，可以在其内部形成冷原子团1，同时其内部也是冷原子团1的贮存区域以及后续的探测区域；光电探测器6作为弥散探测光2光强的探测装置，其可以将探测光光强信号转换成电压或电流信号输出，通过比对有无冷原子团1的情形下的探测光光强幅度来推算冷原子数目。
本发明中漫反射激光冷却冷原子弥散探测时序如图2所示，其中，T1为漫反射激光冷却时间，T2为弥散吸收探测时间，TC为运行周期，根据钟运行周期TC时序，首先在漫反射激光冷却时间T1内，漫反射激光冷却过程回对原子进行冷却，冷却至uK量级并形成中心密度大，边缘密度逐渐稀薄的冷原子团1；之后弥散吸收探测时间T2内，探测光会以一定的发散角入射进积分球冷原子钟微波腔内，经其内表面多次漫反射后形成一个空间上光强弥散分布、各向同性的大体积光场并与原子进行相互作用，如图1所示。特定速度的原子将根据最大跃迁概率原则自动匹配某一特性角度的光线进行相互作用，因此微波腔内的原子均可以感受到光场的作用力从而吸收光子，如图3所示。经过理论模拟，相互作用区域体积增大了约2个数量级，预计可被探测到的冷原子数也将提高2个数量级，所以可有效提高冷原子利用率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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