本发明专利技术涉及两个波长的激光对阶梯型能级碱金属原子的激光冷却与俘获，具体为一种利用原子存储波段和光通讯波段的两个波长的激光器对原子进行冷却与俘获的磁光阱方法和装置。包括以下步骤：构建含有透光石英窗口的原子真空气室；构建磁光阱的磁场部分；构建工作于碱金属原子的基态与中间激发态的激光的光路部分；构建工作于碱金属原子的中间激发态与更高激发态的激光的光路部分；构建由电荷耦合器件相机构成的原子荧光的探测部分。本发明专利技术所述装置直接从室温热原子真空气室中冷却与俘获原子，可用于对具有原子存储波段与光通讯波段的碱金属原子的激光冷却与俘获；可用于多光子冷却原子的冷却机制及基于四波混频的量子中继器的应用研究。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及两个波长的激光对阶梯型能级碱金属原子的激光冷却与俘获，具体为一种利用原子存储波段和光通讯波段的两个波长的激光器对原子进行激光冷却与俘获的磁光阱方法及装置。
技术介绍
自从1975年Hansch与Schawlow提出了激光冷却中性原子的建议，以及1985年美国国家标准与技术研究院的Wiliam Phillips和斯坦福大学的朱棣文(StevenChu)首先在实验中实现了中性原子的激光冷却与俘获，极大地推动了冷原子物理的发展和应用，如原子钟、光镊、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱等等，已成为现代物理学中最活跃的研究领域之一。依靠激光冷却技术获得的超冷原子，因为有着其他状态的物质(如常温下气室中的原子)所没有的优势，对物理学的发展和实际应用具有重要的意义。近三十年来，国际上在上述几方面进行了深入的理论和实验研究工作，并逐步将其应用于社会实践中。在这些已取得的丰硕成果中，磁光阱技术起了十分重要的作用。在量子通讯和量子计算中，冷原子是构成量子存储器和发射器的基本方案之一，而磁光阱是获得冷原子的最直接有效的方法。量子态的远程分发是未来长程量子密钥分发和量子网络等量子技术的关键技术，在具体实施中，无论是自由空间传输还是光纤传输的量子通道，都会造成传输损耗和退相干。即使对于1.5微米光纤通信波段，其传输损耗为0.2 dB/km，经100 km传输后光子数为原来的I %，经500 km后光子数变为原来的10 10O以10 GHz的超快重复频率的量子态发射源为例，其经过100 km光纤的传输率为0.1 GHz，对于500 km的光纤其传输率为I Hz，对于1000 km的光纤其传输效率为10 10 Hz。在经典的通讯中，使用放大器或可以克服这种传输损耗，而在量子通讯中，由于量子不可克隆原理，直接的放大器不可行。只能采用及其复杂的量子中继器。量子中继器通过纠缠交换将较短距离的纠缠扩展为长距离的量子纠缠。以目前的量子中继器发展来看，还处于实验室研究阶段，大多数是基于以原子系综和线性光学为基础的DLCZ协议或其改进协议的实验演示，而且还是较短距离的中继节点的演示，其演示的传输距离为百米量级。在这些演示中，传输的光子波长大都处于原子存储波段，其波长为700nm到900nm，传输损耗远远大于光纤通讯波段1.1-1.7微米，大大限制了传输距离，甚至是较短距离的传输也无法满足。国外研究人员专利技术了基于原子存储波段和光纤通讯波段的纠缠光子对的量子中继器中【Phys.Rev.Lett.96，093604 (2006)，专利号US20080258049A1】，大大降低了传输损耗，克服了这一困难。在该专利技术中，六束冷却光和四极磁场线圈以及反抽运光构成的传统磁光阱将Rb原子冷却，得到一团冷原子云后，将其制备到所需量子态，然后关断光场和磁场，将另外一束原子存储波段的激光和一束光纤通信波段的激光作为栗浦光，以特定的小角度反向作用到冷原子云，在特定的两个角度搜集光子，得到关联甚至纠缠的双光子对。但是该专利技术介入的激光多，介入激光的方向，搜集光子的方向等需要严格对准，容易受到原子气室的几何形状真空管道的布置等的影响；各个激光的频率以及开启和关断的时间需要严格控制，增加了控制的复杂度；通讯波段的激光没有参与原子冷却，只在极短的时间窗口开启，利用率不足。
技术实现思路
本专利技术为解决现有基于传统磁光阱的量子中继器中【Phys.Rev.Lett.96，093604 (2006)，专利号US 20080258049A1】，参与四波混频过程的适合于原子长寿命存储的波段激光和适合于光纤远距离传输的光学通讯波段激光，光路复杂且并未参与原子冷却，不能充分利用的技术问题，提供一种激光冷却与俘获的磁光阱方法及装置，同时提出第一冷却光和第二冷却光的各种不同组合方式，装置灵活，满足各种不同潜在应用的需求。本专利技术所述的一种激光冷却与俘获的磁光阱方法是采用以下技术方案实现的:一种激光冷却与俘获的磁光阱方法，采用两种不同波长的冷却激光以及反抽运激光，结合反向亥姆霍兹线圈组成磁光阱，待冷却与俘获的原子为碱金属原子；第一冷却激光工作于适合于原子长寿命存储的波段，对应于碱金属原子基态到中间激发态的跃迀；第二冷却激光工作于适合于光纤远距离传输的光学通讯波段，并且对应于碱金属原子中间激发态到更高激发态的跃迀；反抽运激光工作于适合于碱金属原子长寿命存储的波段，对应于碱金属原子基态到中间激发态的跃迀；在以反向亥姆霍兹线圈几何对称中心为原点，轴对称线为z轴所确定的三维坐标内，冷却激光均沿着三个坐标轴传输:第一条轴上，两束第一冷却激光以相向重叠方式汇聚于原点，第二条轴上，两束第一冷却激光以相向重叠方式汇聚于原点，第三条轴上，若干束第一、第二冷却激光以对射组合方式汇聚于原点，所述对射组合方式为一个方向为一束第二冷却激光或者为一束第一冷却激光和一束第二冷却激光重合，另一方向为第一冷却激光或者为第二冷却激光或者为一束第一冷却激光和一束第二冷却激光重合；三条轴分别对应于X、1、Z的任意次序的组合；两束反抽运激光沿着三维空间任意角度以相向重叠方式汇聚于原点；反向亥姆霍兹线圈产生四极磁场，磁场零点位于坐标原点，X方向、I方向的磁场梯度大小相等，Z方向的磁场梯度大小是X方向的两倍；所述反向亥姆霍兹线圈之间设有内充碱金属原子的真空气室；原子荧光信号的探测由CCD黑白相机、数据采集卡和计算机完成。本专利技术与现有技术方法【Phys.Rev.Lett.103, 173003 (2009)】相比，光路布置的优势在于轴上，两束第一冷却激光以相向重叠方式汇聚于原点，y轴上，两束第一冷却激光以相向重叠方式汇聚于原点，z轴上，若干束第一、第二冷却激光以对射组合方式汇聚于原点，其组合方式如下:(a)(L2) + (L2) ；(b)(Ll L2) + (L2) ；(c)(Ll L2) + (L1 L2) ；(d)(LI)+ (LI L2) ；(e) (L1) + (L2) ;L1表示第一冷却激光，L2表示第二冷却激光。并且x、y、z三轴对应的光路安排可以任意交换，满足不同的实验参数需求，在第二冷却激光功率不足的情况下也可以选择合适的光路布置来实现冷却。本专利技术与现有技术方法相比，冷却激光波长的优势在于:第一冷却激光工作于适合于原子长寿命存储的波段，第二冷却激光工作于适合于光纤远距离传输的光学通讯波段。第一冷却激光的波长+第二冷却激光的波长与原子阶梯型跃迀能级有如下组合:(a)795nm + 1324nm 对应 87Rb 或 85Rb 原子 5S1/2 - 5P1/2 - 6S1/2；(b) 780nm + 1367nm 对应87Rb 或 85Rb 原子 5S1/2 - 5P3/2 - 6S1/2; (c) 795nm + 1476nm 对应 87Rb 或 85Rb 原子 5S1/2-5P1/2 - 4D3/2；(d)780nm + 1529nm 对应 87Rb 或 85Rb 原子 5S1/2 - 5P3/2 - 4D3/2{5/2)； (e)895nm + 1359nm 对应 133Cs 原子 6S1/2 - 6P1/2 - 7S1/2；(f) 852nm + 1470nm 对应 133Cs原子 6S1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光冷却与俘获的磁光阱方法，其特征在于，采用两种不同波长的冷却激光以及反抽运激光，结合反向亥姆霍兹线圈组成磁光阱，待冷却与俘获的原子为碱金属原子；第一冷却激光工作于适合于原子长寿命存储的波段，对应于碱金属原子基态到中间激发态的跃迁；第二冷却激光工作于适合于光纤远距离传输的光学通讯波段，并且对应于碱金属原子中间激发态到更高激发态的跃迁；反抽运激光工作于适合于碱金属原子长寿命存储的波段，对应于碱金属原子基态到中间激发态的跃迁；在以反向亥姆霍兹线圈几何对称中心为原点，轴对称线为z轴所确定的三维坐标内，冷却激光均沿着三个坐标轴传输：第一条轴上，两束第一冷却激光以相向重叠方式汇聚于原点，第二条轴上，两束第一冷却激光以相向重叠方式汇聚于原点，第三条轴上，若干束第一、第二冷却激光以对射组合方式汇聚于原点，所述对射组合方式为一个方向为一束第二冷却激光或者为一束第一冷却激光和一束第二冷却激光重合，另一方向为第一冷却激光或者为第二冷却激光或者为一束第一冷却激光和一束第二冷却激光重合；三条轴分别对应于x、y、z的任意次序的组合；两束反抽运激光沿着三维空间任意角度以相向重叠方式汇聚于原点；反向亥姆霍兹线圈产生四极磁场，磁场零点位于坐标原点，x方向、y方向的磁场梯度大小相等，z方向的磁场梯度大小是x方向的两倍；所述反向亥姆霍兹线圈之间设有内充碱金属原子的真空气室；原子荧光信号的探测由CCD黑白相机（43）、数据采集卡（44）和计算机（45）完成。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王军民，王杰，杨保东，杨光，刘慧丰，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。