用于冷原子传感器的冷却系统及其相关冷却方法 |
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| 申请号 | CN201980048044.2 | 申请日 | 2019-06-04 | 公开(公告)号 | CN112470235B | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 泰勒斯公司; | 发明人 | 马修·杜邦-奈维; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于冷 原子 传感器 的冷却系统(10)，包括：‑二维冷却腔室，其表示为2D腔室(Ch2D)，保持在超高 真空 下，并至少部分地放置在具有Z轴的积分圆柱体(IC)内，所述积分圆柱体被配置成用第一各向同性光(IL1)照射所述2D腔室，所述2D腔室包括要冷却的原子(13)，‑三维冷却腔室，其表示为3D腔室(Ch3D)，保持在超高真空下，并通过孔(Op)连接到2D腔室，所述孔被配置成允许所述原子(13)通过基本沿所述Z轴移动而从所述2D腔室进入所述3D腔室，所述3D腔室至少部分地放置在积分球(IS)内，所述积分球被配置成用第二各向同性光(IL2)照射所述3D腔室。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于冷原子传感器的冷却系统(10)，所述系统包括： |
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| 说明书全文 | 用于冷原子传感器的冷却系统及其相关冷却方法技术领域[0001] 本发明涉及冷原子传感器的领域。更特别地，本发明涉及用于激光冷却原子的系统，所述系统允许采用这种传感器(100μK级)。 背景技术[0004] 冷原子传感器中使用的原子是这样的：它们具有两种所谓的“超精细”基态原子态，即，在频率上被大约十亿赫兹的量δf0分开的状态，其中δf0＝ω0/2π，这是非常稳定和众所周知的。 [0005] 这些原子典型地是铷87的原子，其中δf0＝6.834GHz，但是，例如铷85(δf0＝3.0GHz)、铯(δf0＝9.2GHz)、钠(δf0＝1.7GHz)或钾40(δf0＝1.3GHz)的原子的其它碱金属原子具有相同类型的原子结构，并且可以使用。 [0006] 关于传感器的实现，在原子制备(包括产生上述的云AC3D)与使用AC3D的实际测量(时钟、速度、加速度、旋转)之间划清界线。 [0007] 为了制备可以用于测量的原子，在以下内容之间划清界线： [0008] ‑冷却阶段，在该阶段结束时，云AC3D形成，原子占据两个超精细基态中的一个，该状态将被表示为F0，并且 [0009] ‑泵浦阶段，在该阶段结束时，AC3D的所有原子都处于确定的Zeeman子级中，所述子级将被表示为状态F0的Z0。 [0011] 新一代的冷原子传感器使用原子芯片来引导一个或多个冷原子云的路径并进行测量。对于这种类型的传感器，光泵浦阶段非常重要，因为否则所有原子将不会处于能够被原子芯片捕获的F0的同一Zeeman子级Z0中。 [0012] 一旦已经形成了冷原子云AC3D(典型温度为100μK级)，原子位于所需的Zeeman子级Z0中，通过打开磁升降器，原子被转移或“加载”到原子芯片附近。一旦云在芯片附近，升降器就会关闭，并且“最热”的原子例如通过射频蒸发(二次冷却)被移除，则剩余原子被称为超冷原子(100nK级)。 [0014] 通过计算先前测量中涉及的各种Zeeman子级中的原子数来读出测量值。这种读出是使用探测激光器进行的，所述探测激光器照射超冷原子云。这是检测阶段。 [0015] 为了能够采用原子芯片传感器，必须提供足够数量的超冷原子(100nK级)。为了将100μK级(激光冷却)的原子有效地冷却到100nK级，必须提供大量的冷原子(100μK级)，典型 9 地为10个原子。 [0016] 现有的冷却原子(100μK级)的解决方案组合了如图1所示的二维磁光阱和如图2所示的三维磁光阱。例如，在参考文献中描述了这种组合：D.Farkas、K.Hudek、E.Salim、S.Segal、M.Squires和D.Anderson，“A compact,transportable,microchip‑based system for high repetition rate production of Bose–Einstein condensates”，Appl.Phys.Lett.,96(2010)。 [0017] 图1示出了磁光阱，该磁光阱形成二维阱或2D MOT(MOT是磁光阱的缩写)。2D阱的意思是通过将给定平面中的速度降低到零来减慢原子的速度；在图1中，给定平面是垂直于Z的XY平面。 [0018] 对于2D MOT，需要以下条件：同时在6个不同方向上照射第一腔室的6个激光束MOT‑B；以及例如由四个线圈IC(以及可选的反亥姆霍兹配置的2个线圈AHC)产生的磁场。云AC2D由在XY平面(此平面中的温度为100μK级)中但不沿Z轴(在此方向上的温度与环境温度相对应)减慢的原子组成。 [0019] 然后，将云AC2D引导通过一个孔进入第二腔室中，如图2所示，所述腔室同时被6个激光束沿3个不同方向(每个方向2个反向传播的光束)照射，两个在纸面内，一个沿垂直于纸面的方向，这些方向通常表示为MOT 3D X1、MOT 3D X2和MOT 3D H。还需要与图1相同的线圈的系统(未示出)来施加与在第一腔室中施加的磁场类似的磁场。 [0020] 在由6个光束的交点照射的体积中，形成了在三个方向上减慢的原子云AC3D。典型地，在三个方向上获得100μK级的温度。 [0021] 一旦将云AC3D“加载”到芯片中，则将原子芯片Atc放置在第二腔室中，以进行测量。 [0022] 2步系统的优点是2D MOT为3D MOT提供大量的预冷原子，这允许3D MOT冷却大量‑10的原子，同时在其腔室中保持超高真空度(大约10 mbar)。如果直接向3D MOT提供热原子，则其提供会增加包含3D MOT的腔室中的压力，防止由原子芯片进行测量。 [0023] 诸如图1和图2所示的冷却是可行的，但是具有实施非常复杂的缺点。具体地，需要以下条件： [0024] ‑12个激光束(用于二维磁光阱6个，用于三维磁光阱6个)，必须控制其频率、偏振和功率。此外，这些激光束必须是准直的，控制其形式，并使其焦点足够稳定。典型地，图1的两个垂直光束(沿Z)和图2的六个光束的直径为25mm。图1的四个剩余光束典型地为25mm乘50mm。 [0025] ‑两个磁场： [0026] *第一磁场，其具有特定空间配置(在磁光阱的中心为零，并随着与中心的距离增加而增加)，并且由两个相关系统同时在两个腔室中施加。该第一场典型地： [0027] ‑在第一腔室中，由四个线圈IC或四个永磁体(见图1和上述出版物Farkas 2010)产生， [0028] ‑在第二腔室中，由反亥姆霍兹配置的两个线圈产生； [0029] *仅施加到第二腔室的(均匀的、大约2高斯)第二磁场典型地由反亥姆霍兹配置的两个线圈AHC产生。 [0031] 对于系统的磁光操作，通过非限制性的例子，就铷87的原子(其是一种常用的原子)来描述传感器的原理。这一原理也适用于具有两个超精细基态的上述其它类型的原子。 [0032] 图3示出了铷87的主要原子态。 [0033] 由δf0＝6834±1MHz分开两个超精细基态，所述两个超精细基态对于铷87表示为F＝1和F＝2。激发态F'＝0、1、2和3通过780nm附近的光激发获得，并且由包括在50与300MHz之间的量彼此分开。量F被定义为原子角动量。 [0034] 图4示出了上述三个阶段(冷却、泵浦、检测)所需的频率。 [0035] 在冷却阶段1，形成三维磁光阱。为此，将称为冷却激光器的第一激光器L1调整到略低于激发频率的频率fRefroid，即，低于量ε1，其典型地包括在几MHz与100MHz之间。原子吸收L1的光子，并以略高的频率(对应于跃迁频率F＝2‑>F'＝3的频率)重新发射；因此，它们+ ‑失去动能并减速。激光器L1必须具有(左或右圆)偏振σ或σ。 [0036] 在冷却过程中，为了使所有原子进入相同的基态F0，对于铷87为F＝2，使用频率为fRepomp、称为“再泵”激光器的第二激光器L2，该激光器以光学方式将原子泵浦到F＝2的状态。使用光谱选择规则来选择所讨论的原子的状态。 [0037] 在这个冷却阶段，两个阱2D MOT和3D MOT的12个激光束同时照射两个腔室，并且每个束包含两个激光器L1和L2的两个频率fRefroid和fRepomp。 [0038] 上述第一磁场也同时应用于两个腔室。 [0039] 一旦原子被冷却，它们都将处于相同的状态F0，对于铷87为F＝2，但将分布在状态F0的所有Zeeman子级上(铷87有5个)。 [0040] 光泵浦第二阶段是将所有原子放置于基态F＝2的同一预定Zeeman子级Z0中。这一阶段很重要，因为在冷却结束时，原子占据F＝2的所有Zeeman级，并且希望在确定的Zeeman级Z0中最大化原子的数量(将“加载”到原子芯片中的原子的数量)，以最大化“加载”到原子芯片中的原子的数量。 [0041] 图5示出了铷87的状态F＝1和F＝2的各种Zeeman子级snZ(图4中未示出)。如可见的，状态F＝2具有5个Zeeman子级。对于给定的基态，Zeeman子级的特征是对应于原子角动量F在量化轴上的投影的量mF的值。如图5所示，因此，一个Zeeman子级用其F值和其mF值来描述，使用形式|F＝2；mF＝2>，该子级是F＝2的子级，其中mF＝2。 [0042] 对于铷87，预定子级Z0是|F＝2；mF＝2>的级。 [0043] 在该第二阶段过程中，均匀的磁场被施加到包含3D MOT的腔室，以去除各种Zeeman子级的简并性，即，给每个Zeeman子级不同的能量，使它们能够被区分开来。根据已知关系，与F＝1的Zeeman子级和F＝2的Zeeman子级之间的跃迁相对应的各种谐振频率取决于该均匀磁场的强度。 [0044] 该场典型地由亥姆霍兹配置的一对线圈产生。 [0045] 此处σ+偏振(右圆偏振)的激光器L1被重新用作泵浦激光器(然后它沿在冷却过程中使用的方向以外的方向照射原子云)；它必须在一个频率fpomp，所述频率低于确定的跃迁大约160到260MHz的量ε2。 [0046] 被称为“再泵”激光器的第二激光器L2也用来将所有原子带到基态F＝2。 [0047] 在该第二阶段过程中，两个激光器L1和L2只照射包含3D MOT的腔室。 [0048] 在检测第三阶段(在一定的干涉测量时间之后)，只使用激光器L1，在此作为检测激光器，频率fdet调整为原子谐振。 [0049] 作为该第三阶段的变体，激光器L1和L2可以顺序或同时使用。 [0050] 因此，能够输送在100μK范围内的一定数量的冷原子的现有技术冷原子传感器冷却系统的生产和使用昂贵且复杂。 [0051] 本发明的一个目的是通过使用基于各向同性光的冷却原理提供简化冷却系统来弥补上述缺点。 发明内容[0052] 本发明的一个主题是用于冷原子传感器的冷却系统，该系统包括： [0053] ‑二维冷却腔室，其称为2D腔室，保持在超高真空下，并至少部分地放置在具有Z轴的积分圆柱体内，所述积分圆柱体被配置成用第一各向同性光照射2D腔室，所述2D腔室包括要冷却的原子， [0054] ‑三维冷却腔室，其称为3D腔室，保持在超高真空下，并通过孔(Op)连接到2D腔室，所述孔被配置成允许所述原子经由基本沿Z轴的移动从2D腔室进入3D腔室，所述3D腔室至少部分地放置在积分球内，所述积分球被配置成用第二各向同性光照射3D腔室。 [0055] 典型地，原子是铷。 [0056] 根据一个实施例，2D腔室还被配置成被经由舷窗用激光束沿Z轴照射。 [0057] 根据一个实施例，第一各向同性光和第二各向同性光分别来自第一组光纤和第二组光纤，所述第一组光纤和所述第二组光纤经由相关输入分别连接到积分圆柱体和积分球。 [0058] 典型地，第一组由四个多模光纤构成，四个相关输入放置于同一平面上，并间隔90°，所述平面垂直于Z轴，并穿过所述圆柱体的高度的中间。 [0059] 典型地，第二组由四个多模光纤构成，四个相关输入放置成使得：其中两个输入径向相对，并位于穿过球的中心的直线上，另外两个输入位于与所述直线垂直并包含球的中心的平面上。 [0060] 根据一个实施例，积分球还具有两个孔，所述孔允许检测光束通过。 [0061] 优选地，光纤被配置成使得球内的光场呈现细粒散斑。 [0062] 优选地，所述积分圆柱体的内表面和积分球的内表面各自为高反射率反射镜或完全散射。 [0063] 根据一个实施例，根据本发明的冷却系统还包括：用于在3D腔室中产生均匀磁场的装置和用于产生传播到3D腔室中的微波频率波的装置，所述微波频率波具有多个频率。 [0064] 根据另一方面，本发明涉及一种原子芯片冷原子传感器，其包括：原子源、根据本发明的冷却系统、以及放置在3D腔室内或至少部分地形成所述3D腔室的壁中的一个的原子芯片。 [0065] 根据一种变体，原子芯片至少部分地形成3D腔室的一个壁并且是透明的，不在真空中的面覆盖有散射层或反射层。 [0066] 根据又一方面，本发明涉及一种用于冷却原子芯片冷原子传感器的原子的方法，所述传感器包括： [0067] ‑二维冷却腔室，其称为2D腔室，保持在超高真空下并包括要冷却的原子，所述2D腔室至少部分地放置在具有Z轴的积分圆柱体内，所述积分圆柱体被配置成用第一各向同性光照射2D腔室， [0068] ‑三维冷却腔室，其称为3D腔室，保持在超高真空下，并通过孔连接到2D腔室，所述孔被配置成允许所述原子经由基本沿Z轴的移动从2D腔室进入3D腔室，所述3D腔室至少部分地放置在积分球内，所述积分球被配置成用第二各向同性光照射3D腔室，所述要冷却的原子具有第一基态和第二基态，所述基态是超精细态， [0069] 所述方法包括： [0070] ‑冷却第一阶段，其在第一时间段期间实施，包括冷却原子并将其放置于两个超精细基态中的一个，该状态称为F0，这包括分别用第一各向同性光和第二各向同性光照射2D腔室和3D腔室的步骤，所述各向同性光具有冷却频率和再泵频率， [0071] ‑光泵浦第二阶段，其在各向同性光在第二时间段期间关闭之后实施，所述第二阶段在第三时间段期间实施，并旨在将原子放置于基态的确定Zeeman子级中，所述第二阶段包括同时在3D腔室中实施的如下步骤： [0072] ‑施加均匀磁场， [0073] ‑用具有再泵频率的第二各向同性光照射， [0074] ‑用具有多个不同频率的微波频率波照射，每个频率对应于第一基态的Zeeman子级与第二基态的Zeeman子级之间的跃迁的谐振频率。 [0075] 根据一个实施例，在冷却阶段期间，还用具有冷却频率和再泵频率的激光束沿圆柱体的Z轴照射2D腔室。 [0076] 典型地，要冷却的原子是铷87的原子，两个超精细基态称为F＝1和F＝2，基态为状态F＝2并且预定Zeeman子级为被表示为|F＝2；mF＝2>的子级，其中F为原子角动量，而mF为原子角动量在量化轴上的投影，并且其中，多个频率由四个频率构成，其中： [0077] ‑第一频率f1对应于跃迁|F＝1；mF＝‑1>到|F＝2；mF＝‑2>的频率，[0078] ‑第二频率f2对应于跃迁|F＝1；mF＝0>到|F＝2；mF＝‑1>的频率，[0079] ‑第三频率f3对应于跃迁|F＝1；mF＝1>到|F＝2；mF＝0>的频率，以及[0080] ‑第四频率f4对应于跃迁|F＝1；mF＝1>到|F＝2；mF＝1>的频率。 [0081] 根据最后一个方面，本发明涉及一种由冷原子传感器进行的测量方法，所述冷原子传感器包括放置在3D腔室内或形成所述3D腔室的壁中的一个的原子芯片，所述方法包括： [0082] ‑使用根据本发明的冷却方法进行的冷却步骤， [0083] ‑用磁升降器将原子转移到原子芯片附近的步骤， [0084] ‑将原子捕获在原子芯片中以再次将它们冷却的步骤， [0085] ‑由存在于原子芯片中的微电路进行的测量步骤， [0086] ‑使用检测激光束进行的检测步骤，所述检测激光束照射位于原子芯片附近的所述3D原子。 [0088] 图1(其已经被引用)示出了根据现有技术的形成二维阱或2D MOT的磁光阱； [0089] 图2(其已经被引用)示出了根据现有技术的形成三维阱或3D MOT的磁光阱； [0090] 图3(其已经被引用)示出了铷87的主要原子态； [0091] 图4(其已经被引用)示出了根据现有技术的实现冷原子传感器所需的冷却、泵浦和检测三个阶段中所需的频率； [0092] 图5(其已经被引用)示出了铷87的状态F＝1和F＝2的各种Zeeman子级； [0093] 图6示出了根据本发明的用于冷原子传感器的冷却系统； [0094] 图7示出了经由四个光纤照射具有积分圆柱体的2D腔室的一个实施例； [0095] 图8示出了四个光纤输入分布在积分球上的示例； [0096] 图9示出了根据本发明的原子芯片冷原子传感器； [0097] 图10示出了根据本发明的用于冷却原子芯片冷原子传感器的原子的方法； [0098] 图11示出了对于铷87的情况下根据本发明的方法的光泵浦第二阶段的机理；以及[0099] 图12示出了使用根据本发明的冷原子传感器进行的测量方法。 具体实施方式[0100] 图6示出了根据本发明的用于冷原子传感器的冷却系统10。 [0101] 它使用各向同性光冷却，其原理在T.G.Aardena等人的出版物“Tranverse diffusion in Isotropic Light Slowing(各向同性光减速中的横向扩散)”(《物理评论快报》第76卷，第5期，1996年)中描述。在该出版物中，在两个方向上冷却先前准直的原子束。 [0102] 该原理是基于被要冷却的原子吸收与发射的光子之间的动量交换。让速度为v的原子，要冷却的原子吸收光子，其动量在角θ的锥表面上，使得： [0103] fatom＝fRefroid+[fRefroid v cos(θ)]/c [0104] 其中，c是光速，fatom是用于冷却的跃迁频率；在铷87的情况下，它是跃迁频率F＝2‑>F'＝3。在要冷却的原子吸收/发射光子的许多周期中，平均值为：i)原子再发射的光子动量的平均值为零；ii)原子吸收的光子的动量在垂直于原子速度的平面上的投影平均值为零，iii)原子吸收的光子的动量在原子速度方向上的投影平均值不为零，并且与原子速度相反。因此，由此产生使原子减速并使其冷却的力。 [0105] 在上述出版物中，仅描述了二维各向同性光冷却。 [0106] 由H.D.Cheng等人出版的“Laser cooling of rubidium atoms from background vapor in diffuse light(在散射光下从背景蒸气中对铷原子进行激光冷却)”(《物理评论》2009年第79卷第023407号)，描述了三维各向同性冷却，其只允许获得少量的冷却原子。 [0107] 如下文所述，根据本发明的冷却系统10包括两个冷却腔室，2D腔室和3D腔室，并且是基于积分圆柱体和球的组合。 [0108] 二维冷却腔室Ch2D或2D腔室使用连接到管道5的泵浦系统(未示出)保持在超高真空下。2D腔室至少部分地放置在具有绕Z轴旋转对称性的积分圆柱体IC内。 [0109] 要冷却的原子13存在于2D腔室中。这些原子优选地是铷87的原子，但也可以是铷85、铯、钠或钾40的原子。 [0111] 积分圆柱体被配置成用第一各向同性光IL1照射2D腔室。当它照射2D腔室时，第一各向同性光具有两个频率(参照现有技术定义)：冷却频率fRefroid和再泵频率fRepomp(见下文的方法)。 [0112] 优选地，圆柱体IC的内表面12由高反射率反射镜(例如，由用光学抛光的铜制成的TM反射镜)或由完全散射的材料(例如，spectralon )构成。目标是在XY平面上用来自所有方向的同等光线照射2D腔室，并实现沿Z轴表现出平移对称性的光场。 [0113] 优选地，2D腔室Ch2D也是圆柱体形状，其壁由在操作波长下透明的玻璃制成，其操作波长对于铷87为大约780nm。 [0114] 照射原子13的各向同性光允许Ch2D中包含的原子13在与Z垂直且与图6的平面垂直的YX平面中冷却(见下面关于冷却方法的段)。与积分圆柱体IC组合，2D腔室被配置成对于2D腔室中存在的原子13形成二维光阱OT2D。因此，被冷却的原子沿Z形成丝状的云AC2D，该云位于圆柱体的中心处。 [0115] 然后，云AC2D通过连接Ch2D和Ch3D的孔Op进入3D腔室Ch3D，并且允许云AC2D的原子经由基本上沿Z轴的移动从2D腔室进入3D腔室。 [0116] 孔Op典型地直径为大约一毫米，深约为大约几毫米。优选地，用于使原子在两个腔室之间通过的这个孔在由OFHC铜制成的平面部件3中制成的，所述OFHC铜的表面有光学抛光。除了已经提到的二维冷却之外，这允许在垂直方向上预冷却原子。这增加了在三维冷却腔室Ch3D中冷却的原子的数量。 [0117] 优选地，2D腔室还被配置成经由舷窗14被沿圆柱体的Z轴定向的推进激光束Fp照射，如图6所示。典型地，其直径为大约1cm。其允许通过推动AC2D穿过孔，更快速地加载三维冷却腔室。 [0118] 根据本发明的冷却系统还包括三维冷却腔室Ch3D，也称为3D腔室，其通过孔Op连接到2D腔室。孔Op被配置成允许原子13经由基本上沿Z轴的移动从2D腔室进入3D腔室，如图6所示。通过经由管道6连接的泵浦系统(未示出)将腔室Ch3D保持在超高真空下。 [0119] 3D腔室至少部分地放置在积分球IS内，所述积分球IS被配置成用第二各向同性光IL2照射3D腔室。 [0120] 二维冷却用于向三维冷却腔室加载预冷原子。三维冷却允许对大量的原子进行激9 光冷却(例如，在100ms内将10个原子激光冷却至100μK)。 [0121] 与积分球IS组合，3D腔室被配置成对于从2D腔室中输出的原子13形成三维光阱。一旦在三维空间中冷却，原子就形成云AC3D，在图6中示出所述云。然后，使用该云进行时钟测量、加速度测量、速度测量或旋转测量(见下面的方法)。 [0122] 优选地，3D腔室Ch3D是平行六面体形状，并且其壁由在操作波长下透明的玻璃制成，其操作波长对于铷87为大约780nm。 [0123] 积分球IS的表面24与积分圆柱体IC的规格相同。 [0124] 根据下面描述的方法，经由通过IL1和IL2照射腔室来实现冷却。与现有技术一样，在冷却第一阶段中，用具有以上定义的两个频率fRefroid和fRepomp的光(分别为IL1和IL2)照射Ch2D和Ch3D。相反，在光泵浦第二步中，用单个光频率fRepomp照射3D腔室。如下面解释的，由于各向同性光照射冷却的特殊性，所述冷却方法不同于现有技术方法。 [0125] 优选地，频率fRefroid和fRepomp来自两个激光器L1和L2。在IC和IS的内表面反射(分别为散射)的情况下，由于来自IC和IS的光的反射(分别为散射)，照射Ch2D和Ch3D的反射(分别为散射)光束不偏振，这与现有技术中使用的必须偏振的光束不同。 [0126] 根据本发明的用于照射2D和3D腔室的系统(其包括积分圆柱体和积分球)相对于现有技术的光学系统被极大地简化。不再需要控制照射Ch2D和Ch3D腔室的光的偏振。传统上使用的具有特定空间变化的第一磁场不再是必要的。此外，不再需要任何复杂的准直器来形成激光束；只要将(任何偏振态的)光引入到IC和IS中就足够了。 [0127] 根据一个优选变体，第一各向同性光IL1和第二各向同性光IL2分别来自第一组光纤和第二组光纤，所述第一组光纤和所述第二组光纤分别经由相关输入连接到积分圆柱体和积分球。在图6中示出用于IC的光纤OF1和用于IS的光纤OF2。光纤以另一端连接到L1和L2，以将来自激光器的光传送到圆柱体和球。光经由光纤的传输是可能的，因为对照射腔室的光的偏振或照射第一腔室Ch2D和第二腔室Ch3D的光束的形式没有限制。 [0128] 根据一个实施例，第一组由四个多模光纤OF1构成，其四个相关输入被放置为使得圆柱体的内部被均匀地照射。 [0129] 图7示出了经由四个光纤用积分圆柱体IC照射Ch2D的一个实施例，其中四个相关输入11布置在垂直于Z轴并穿过所述圆柱体的高度h的中间的同一平面P1中。优选地，四个输入11间隔90°。图7a示出了圆柱体IC的侧视图，而图7b示出了沿以上定义的平面P1切割的横截面视图。 [0130] 这种配置允许获得光场，其光子的动量分布在XY平面上尽可能各向同性，并且沿圆柱体的垂直轴线具有相对较好的平移对称性。该动量分布遵循先前描述的圆柱体中光线的分布。 [0131] 根据一个选项，根据本发明的冷却系统包括：在Ch2D中、放置在圆柱体IC外部的四个永磁体，以产生如参考现有技术所述的第一磁场。如有必要，该场允许原子束AC2D的准直度增加。然而，它并不是实施冷却系统的必要条件。 [0132] 根据一个实施例，第二组由四个多模光纤OF2构成，四个相关输入被放置为使得球的内部被均匀地照射。 [0133] 图8示出了四个相关输入21的分布的示例，其中其示例的两个(未示出)径向相反并位于穿过球的中心的直线上，另外两个输入(如图8所示)位于垂直于所述直线并包含球的中心的平面中。 [0134] 在基于原子芯片Atc的冷原子传感器的情况下，所述原子芯片被放置在Ch3D中。在这种情况下，穿过输入21的光纤指向原子芯片Atc的中心。这种配置允许最大激光场强度靠近原子芯片，同时保持激光场的光子动量的各向同性分布。 [0135] 根据一个实施例，积分球IS还具有两个孔22(如图8所示)，允许检测光束Fdet通过。该光束照射云AC3D，其已经更靠近芯片Atc(通过未示出的磁升降器)，以期通过吸收或通过荧光(计算各种状态下的原子的数量来完成测量)来检测原子。 [0136] 根据一个实施例，光纤OF2被配置成使得球内的光场呈现细粒散斑。细粒散斑是指散斑，其典型的尺寸是用于冷却的光的波长的几倍。 [0137] 具体地，如在有关该主题的文献中所解释的，细粒散斑允许更多的原子被冷却到几μK。 [0138] 根据一个实施例，球IS包括孔23，其中一个孔如图8所示，允许原子芯片和磁升降器的电互连通过。所有穿过这些孔的电缆都被高反射率的材料或散射材料覆盖，并且这些孔对于电缆通过刚好足够大。这样做是为了防止光子被吸收到球中或离开球并且因此对冷却过程不起作用。 [0139] 根据一个实施例，两个线圈(未示出)允许产生与在冷却AC3D的现有技术阶段中使用的磁场几何结构相同的磁场几何结构。如有必要，该磁场允许原子云的相的空间密度增加。 [0140] 如下面描述的，用根据本发明的冷却系统进行冷却的方法具有特定特征。要实现它，需要对Ch3D施加均匀磁场，并使用包含多个频率的微波频率波。 [0141] 因此，根据一个实施例，根据本发明的冷却系统还包括：用于在3D腔室中产生均匀磁场的装置以及用于还在3D腔室中产生具有多个频率的微波频率波的装置。 [0142] 例如，用于产生均匀磁场的装置包括以亥姆霍兹配置使用并放置在积分球IS外部的两个线圈92(见下面的图9)。 [0143] 根据第一示例，用于产生微波频率波的装置包括放置在3D腔室内的天线。 [0144] 根据第二示例，对于原子芯片冷原子传感器，用于产生微波频率波的装置包括布置在原子芯片Atc上的平面微波引导器91(见下面的图9)。 [0145] 根据另一方面，本发明涉及原子芯片冷原子传感器50(如图9所示)，其包括原子源S、如上所述的根据本发明的冷却系统10和原子芯片Atc，所述原子芯片例如由SiC(碳化硅)或AlN(氮化铝)制成。 [0146] 根据一个选项，原子源S被放置在Ch2D内，如图9所示。根据另一个选项，原子从位于连接到2D腔室的附加腔室中的源(例如，经由管道5)注入到Ch2D中。 [0147] 根据图9所示的第一选项，芯片Atc至少部分地形成所述3D腔室的壁中的一个。 [0148] 根据另一个第二选项，芯片Atc被放置在3D腔室内。 [0149] 根据一个实施例，芯片Atc是透明的，并且用被配置成散射光的层(例如，TMspectralon 的层)，或者用反射层(例如，金的层)，覆盖不在AC3D的一侧上的面(对于第一选项是不在真空中的面)。这改进了冷却光场的光子动量的各向同性分布。 [0150] 根据另一方面，本发明涉及用于冷却原子芯片冷原子传感器的原子的方法90，如图10所示。 [0151] 传感器包括二维冷却腔室Ch2D，所述腔室包括要冷却的原子13，所述腔室至少部分地放置在具有Z轴的积分圆柱体内，积分圆柱体IC被配置成用第一各向同性光IL1照射2D腔室。传感器还包括三维冷却腔室Ch3D，所述腔室通过孔Op连接到2D腔室，所述孔被配置成允许原子经由基本上沿Z轴的移动从2D腔室进入到3D腔室。3D腔室至少部分地放置在积分球IS内，所述积分球IS被配置成用第二各向同性光IL2照射3D腔室。 [0152] 要冷却的原子13具有第一基态和第二基态，所述基态是超精细态(见上文定义)。 [0153] 与现有技术一样，根据本发明的方法包括冷却第一阶段和光泵浦第二阶段，但是由于各向同性光冷却，这些阶段具有特定特征。 [0154] 在第一时间段T1期间实现的第一冷却阶段100包括：冷却原子并将它们置于两个超精细基态中的一个，我们称之为F0。 [0155] 对于铷87，该状态F0是表示为F＝2的状态。 [0156] 典型地，T1是大约100ms。 [0157] 该第一阶段包括步骤101，在所述步骤分别用第一各向同性光IL1和第二各向同性光IL2照射2D腔室和3D腔室，这些各向同性光具有冷却频率fRefroid和再泵频率fRepomp。不需要光束的特定偏振。 [0158] 该阶段典型地是通过打开冷却激光器L1和泵浦激光器L2来实现，所述激光器例如经由光纤照射圆柱体IC和球IS。例如，对于铷87，频率fRefroid比跃迁F＝2‑>F'＝3的频率低一个量ε1，所述量典型地包括在几MHz与大约一百MHz之间。频率fRepomp对应于跃迁F＝1‑>F'＝2(见图4)。 [0159] 优选地，在冷却阶段期间，还沿圆柱体的Z轴用被称为“推动”光束的激光束Fp照射2D腔室；该光束还包含冷却频率fRefroid和再泵频率fRepomp(图10中的步骤102)。典型地，该光束是由L1输出的光束和由L2输出的光束的组合生成的。因此，它与IL1和IL2同时打开。 [0160] 接下来，典型地通过关闭激光器，在第二时间段T2关闭光(IL1、IL2和在适当的情况下的Fp)。 [0161] 为了获得一种快速的冷却方法，寻求使时间T2最小化。典型地，T2对应于100μs。 [0162] 典型地，如果各向同性光IL2包含细粒散斑，则获得大约100μK或几μK的109个原子。 [0163] 在激光冷却阶段(100μK级)之后，原子占据铷87的基态F＝2的所有Zeeman子级。 [0164] 为了使被捕获在原子芯片中的原子的数量最大，有必要在一个特定的Zeeman子级Z0中光学地制备原子。如果不这样做，在第二轮冷却(芯片Atc中的射频蒸发步骤，见现有技术)之前，冷却原子的数量的很大一部分(在铷87的情况下大约80％)将丢失。 [0165] 在铷87的情况下，特定的Zeeman子级Z0是子级|F＝2；mF＝‑2>。 [0166] 因此，根据本发明的方法包括在第二时间段T2期间关闭各向同性光之后实现的第二光泵浦阶段200。该第二阶段在第三时间段T3期间实现，并且旨在将原子置于基态F0的确定Zeeman子级Z0中。典型地，时间T3是大约1毫秒。 [0167] 在现有技术(见现有技术和图4)中，对于该泵浦阶段使用以下装置：均匀磁场(大约2高斯)、再泵激光器(用于铷87，设置为与跃迁F＝1‑>F'＝2谐振)以及右圆偏振的冷却激光器，对于铷87，该激光器的频率转变为与跃迁F＝2‑>F'＝2谐振。 [0168] 然而，这种使用σ+偏振激光的传统光泵浦技术不再适用，因为积分球和圆柱体不能保持激光的偏振。因此，为了利用各向同性光冷却的优点，有必要实现一种新的光泵浦阶段。 [0169] 第二阶段包括同时在3D腔室中实施的以下步骤。 [0170] 在步骤201中，施加与参考现有技术描述的第二磁场具有相同特性的均匀磁场。 [0171] 也用第二各向同性光IL2照射积分球(图10中的步骤202)，所述第二各向同性光只包含再泵频率fRepomp。在这一步骤中，再泵激光器L2典型地被打开，而冷却激光器L1被关闭。相反，由微波频率波MW提供照射(步骤203)，所述微波频率波MW包括与典型地包括在5与 15GHz之间的多个不同谐振频率。微波场的每个频率对应于第一基态的Zeeman子级与第二基态的Zeeman子级之间的跃迁的谐振频率，以防止原子在确定的Zeeman子级Z0以外的Zeeman子级中积累。 [0172] 该机制如图11所示，对于铷87的情况，其对于状态F＝1包括3个Zeeman子级mF＝‑1、0和+1，并且对于状态F＝2包括5个Zeeman子级mF＝‑2、‑1、0、+1和+2。 [0173] 让原子初始处于Zeeman子级|F＝2；mF＝‑2>(见附图标记30)。它会下降，因为其子级经由微波频率f1与子级|F＝1；mF＝‑1>谐振(附图标记31)。在F＝1的这个子级中，它与再泵频率fRepomp谐振并跳到状态F'(附图标记32)，然后释放：它或者回到它来的地方，并以同样的方式下降，或者下降到F＝2的另一个子级，例如，|F＝2；mF＝0>(附图标记33)。然后它会下降，因为其状态经由微波频率f3与子级|F＝1；mF＝+1>谐振(附图标记34)。在F＝1的这个子级中，它与再泵频率fRepomp谐振，并跳到状态F’(附图标记35)，然后再次释放。以此类推，直到达到子级|F＝2；mF＝+2>，其与F＝1的任何子级都不谐振。 [0174] 这种机制允许防止原子在状态|F＝1；mF＝‑1,0,1>和|F＝2；mF＝‑2,‑1,0,1>中的积累。因此，原子被迫移动到状态|F＝2；mF＝2>(这是系统中唯一的暗态)中，并因此获得原子在该Zeeman子级|F＝2；mF＝+2>中的积累。 [0175] 因此，对于铷的情况，多个频率由四个频率f1、f2、f3、f4构成，其定义为使得： [0176] ‑第一频率f1对应于跃迁|F＝1；mF＝‑1>到|F＝2；mF＝‑2>的频率，[0177] ‑第二频率f2对应于跃迁|F＝1；mF＝0>到|F＝2；mF＝‑1>的频率，[0178] ‑第三频率f3对应于跃迁|F＝1；mF＝1>到|F＝2；mF＝0>的频率，并且[0179] ‑第四频率f4对应于跃迁|F＝1；mF＝1>到|F＝2；mF＝1>的频率。 [0180] 在根据本发明的方法中，为了加载磁阱，使用将四个微波场和偏振随机的一个激光场组合的光泵浦。 [0181] 根据另一方面，本发明涉及由冷原子传感器进行的测量方法190(如图12所示)，所述冷原子传感器包括放置在3D腔室内或形成所述3D腔室的壁中的一个的原子芯片Atc。 [0182] 所述方法包括：使用根据本发明的冷却方法90进行的冷却第一步骤，然后用磁升降器将原子转移到原子芯片附近的步骤93，然后将所述原子捕获在原子芯片中以便再次将它们冷却(第二轮冷却)的步骤94。 [0183] 因此，二维冷却用于向三维冷却腔室Ch3D加载预冷原子。三维冷却允许大量的原9 子被激光冷却(在100ms内将10 个原子冷却在100μK)，然后这些原子被转移到Zeeman子级Z0(步骤200)。接下来，打开磁升降器，允许原子被转移(步骤93)到由原子芯片Atc在其附近形成的磁阱(步骤94)。 [0184] 接下来，在步骤96，通过存在于原子芯片Atc中的微电路进行测量。例如，为了进行旋转测量，将原子放置于两个Zeeman子级(表示为|a>和|b>)的相干叠加中，然后所述子级沿着包含非零区域的闭合路径移动。|a>和|b>在相反方向上移动。 [0185] 在这个测量结束时，芯片附近的原子占据各个Zeeman子级，其分布取决于需要测量的参数。 [0186] 最后，进行检测步骤98，并且所述检测步骤包含计算在先前测量中涉及的各种Zeeman子级中相应的原子的数量。这一检测是使用检测激光束Fdet执行的，所述检测激光束照射原子芯片附近的3D原子。经由荧光或吸收进行检测。 |
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