一种光学控制冷原子任意度的抛射方法

申请号 CN202410031485.4 申请日 2024-01-09 公开(公告)号 CN117954143A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 中国科学院上海光学精密机械研究所; 发明人 魏荣; 李耀;
摘要 本 发明 公开了一种光学控制冷 原子 任意 角 度的抛射方法,该方法能精确调控冷原子在三维方向上的抛射角度。控制过程中,通过独立调节光学粘胶中三个 正交 维度上对射光的 频率 差,使得原子在三个正交方向产生独立的速度分量,通过速度矢量求和,实现原子抛射角度的精确控制。频率的控制 精度 可以远小于1Hz,对应的速度精度可优于1μm/s的精度。由于该方法将抛射方向的控制转化为频率的控制,不仅克服了机械调节的所有不足,而且该方法具有操作简单,调节精度高、调节速度快的优点,可应用于原子喷泉钟和原子干涉仪等领域。
权利要求

1.一种光学控制冷原子任意度的抛射方法,其特征在于,通过独立调节三组正交对射冷却激光的相对频率,使得原子在沿冷却激光正交的三个方向上产生独立的速度分量,进而通过速度矢量求和,实现冷原子抛射方向和抛射速度的控制。
2.根据权利要求1所述的一种光学控制冷原子任意角度的抛射方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1、构建光学黏胶抛射光路结构,按照标准磁光阱和光学粘胶的三组相互正交,同频率红失谐对射激光冷却方法对原子进行俘获和冷却;
步骤S2、以真空冷原子俘获腔三维中心为坐标原点,建立三组相互正交对射光方向构成的坐标系 和基于竖直抛射方向的坐标系 其中 在平面的
投影与 相平行;
方向上的速度为vax, 方向上的速度为v||, 方向上的速度为v⊥,公式如下:
其中β是 平面以 轴逆时针旋转角度,θ是 平面以 轴顺时针旋转角度;
设定速度vax,v||,和v⊥的初始值,计算所述三组对射激光的频率差Δωx,Δωy和Δ ωz,公式如下:
步骤S3、根据计算得到的三组对射光的频率差Δωx,Δ ωy和Δωz,独立控制声光调制器的驱动电路的频率和信号功率,使得自上而下的三束冷却激光的频率(ωx‑,ωy‑,ωz‑),低于与其对射的自下而上的三束冷却光的频率(ωx+,ωy+,ωz+),且频率差为Δ ωx,Δ ωy和Δωz;
原子受到激光场的频率差产生的辐射进行抛射,抛射速度为
抛射角度为抛射速度与垂直轴 的夹角 和抛射速度在水平面 上投影
向量与 轴的夹角
3.根据权利要求2所述的一种光学控制冷原子任意角度的抛射方法,其特征在于,所述步骤S1构建光学黏胶抛射光路结构,按照标准磁光阱和光学粘胶的三组相互正交,同频率红失谐对射激光冷却方法对原子进行俘获和冷却;具体包括:
冷却光Cooling1(1)经过分束器Splitter1(3)分成频率相同、光功率相同的三束激光,即频率为ωx‑,ωy‑,ωz‑的三束激光;该三束激光分别由三个声光调制器控制激光频率;分别通过真空冷原子俘获腔上的三个扩束准直装置自上而下射入腔中;
冷却光Cooling2(2)先通过声光调制器AOM4(8)控制激光频率,之后经过分束器Splitter2(4)分成频率相同、光功率相同的三束激光,即频率为ωx+,ωy+,ωz+的三束激光;
分别通过三个扩束准直装置自下而上射入腔中,与自上而下的三束激光对射;
这三组对射光相互正交,控制四个声光调制器,使得三组对射光频率相同,即ωi+‑ωi‑=0(i=x,y,z),对原子进行俘获和冷却,并使得原子处于真空俘获腔的三维中心。
4.根据权利要求2所述的光学控制冷原子任意角度的抛射方法,其特征在于,在(1,1,
1)结构模式中,
在(0,0,1)结构模式中,β=0,θ=0;
在(0,1,1)结构模式中,β=0,

说明书全文

一种光学控制冷原子任意度的抛射方法

技术领域

[0001] 本发明主要应用冷原子精密测量相关领域,包括原子喷泉钟、原子干涉仪等。该领域中需要通过光学方法对冷原子进行抛射,抛射方向对相关设备的性能指标具有重要影响。本发明主要解决冷原子抛射方向的控制。

背景技术

[0002] 激光冷却原子技术广泛应用于精密测量领域,其中的一项重要技术是通过抛射冷原子使其与微波场或光场作用,进行相干测量。原子喷泉钟、原子重仪、空间冷原子钟等研究都是基于这项技术实现的。这些研究在建立时间标准、测量地球引力、探索基础物理规律等领域发挥重要作用。原子抛射是其中的关键技术,目前主要通过移动光学黏胶的方法实现。其基本方法是将三个正交方向的冷却激光分为上下两组,通过调节这两组冷却激光的相对频率偏差,使原子产生沿特定方向的初速度,实现原子抛射,通常是沿竖直方向上抛。
[0003] 目前这种抛射方法的抛射方向需要在系统装配的时候进行调节,一旦装配完成,抛射方向完全固定。而在原子喷泉钟、原子重力仪等应用中,需要对原子的抛射方向进行精细微调,例如,原子喷泉钟的分布腔相移就是通过微调上抛角度对微波腔内的微波场分布进行测量,评估分布腔相移。目前这种调节只能通过调整系统装置底部控制装置倾斜的旋钮,移动装置整体方向的方法实现。例如,加拿大的NRC‑FCs2喷泉钟(参见Metrologia,2020,57(3):035010)、德国联邦物理技术研究院(PTB)的喷泉钟(参见Metrologia,2018,
55:789‑805)均采用这样的方式。但是这种通过机械的调节方式实现起来比较复杂;调节所需时间较长,调节的结果影响实验的连续性;调节时装置整体移动会对其它部件造成影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对目前移动喷泉物理系统倾斜角度操作不便,精度差的问题,提供了一种光学控制冷原子任意角度的抛射方法,通过光学方法实现精确控制冷原子抛射方向,在不移动喷泉物理系统的情况下,计算原子在平和竖直方向上的初速度,通过独立调节移动光学黏胶3个方向冷却激光的相对频移,实现精确的抛射方向控制。该方法将抛射方向的控制转化为频率的控制,不仅克服了机械调节的所有不足,而且具有调节精度高、调节速度快的优点,对原子喷泉钟、原子重力仪的性能改进具有重要应用价值。
[0005] 本发明基于移动光学黏胶原理对冷原子实现抛射。它的原理是:当近共振的对射两束激光分别以ω0+Δω和ω0‑Δω的频率作用于冷原子时,由于多普勒效应,冷原子将以v=Δω/k的速度沿ω0‑Δω激光方向运动。这是一维的情况,实际使用的是三维的移动光学黏胶,通过调节3个正交方向的六束对射激光,实现冷原子抛射,抛射速度3个方向的速度的矢量和,由于六束激光分为上下两组统一调节,抛射方向为固定(1,1,1)方向,抛射速度为
[0006] 本发明的结构与标准的光学黏胶(1,1,1)抛射结构完全相同,如图1所示。六束激光分为上下两部分,通过安装在真空俘获腔6个正方形平面的扩束准直装置射入腔内,用于原子的俘获和冷却。首先这三组对射光按照标准磁光阱和光学粘胶的激光冷却方法对原子进行俘获和冷却。本发明的特点在于对激光频率的控制,通过对三维方向的激光相对频率的独立调整,实现三维速度矢量的独立控制,最终合成方向可以精确控制的速度矢量。自下而上的三束激光直接由同一束冷却光经过一个声光调制器调节光功率和光强后,经一分三分束器分束得到,这三束激光频率相同,表示为:
[0007] ωx+=ωy十=ωz十=ω0+△ω0
[0008] 其中ω0红失谐于原子跃迁频率,Δω0为自下而上的三束激光频率失谐量调节。
[0009] 自上而下的三束激光由另一束冷却光先通过一分三分束器分成频率相同的三束激光后,再分别通过三个声光调制器调节光频率和光强,因此这三束光频率可以独立调节,表示为
[0010] ωi‑=ω0‑Δωi(i=x,y,z)
[0011] 其中Δωi为自上而下的三束激光频率失谐量调节。
[0012] 在冷原子抛射以前,需要先制备冷原子,这个阶段有标准的激光冷却原子方法,使Δωi=0(i=0,x,y,z),根据标准方法调节ω0实现冷原子的制备。对制备好的冷原子进行抛射时,独立控制自上而下的三束激光的声光调制器,改变Δ ωi(i=x,y,z)。原子受到沿ωi+(i=x,y,z)光束方向的作用力,使冷原子在三个相互正交方向上产生速度分量。根据原子相对多普勒频移为0的条件可以得到原子的速度,表示为:
[0013]
[0014]
[0015] 对抛射方向的控制主要是在(1,1,1)抛射的基础上进行一些调整,因此建立基于抛射方向的坐标系,根据2原子速度矢量映射分析图,抛射速度表示为:
[0016]
[0017] 其中,vax为竖直方向的速度,v||和v⊥为水平方向上的速度,v||平行于vx在水平方向上的投影,v⊥垂直于v||。标准的移动光学黏胶对应v||=v⊥=0的情况,即水平方向没有速度分量。(1,1,1)结构模式中三组对射光方向构成的坐标系 与基于竖直抛射方向的三维坐标系 之间的旋转映射关系是:
[0018]
[0019] β是 平面以 轴逆时针旋转角度,θ是 平面以 轴顺时针旋转角度。本发明通过调节自上而下三束激光的频率ωi(i=x,y,z)可以获得任意所需的v||、v⊥。表示为:
[0020]
[0021] 在图1所示的(1,1,1)结构模式中, 在(0,0,1)结构模式中,β=0,θ=0;在(0,1,1)结构模式中,β=0, 因此本发明同样适用于(0,0,1)结构模式和(0,1,1)结构模式。
[0022] 一种光学控制冷原子任意角度的抛射方法,包括以下步骤:
[0023] 步骤S1、在原子喷泉钟实验中,首先将三组相互正交,同频率红失谐的对射光按照标准磁光阱和光学粘胶的激光冷却方法对原子进行俘获和冷却。
[0024] 冷却光Cooling1经过分束器Splitter1分成频率相同、光功率相同的三束激光,之后分别通过三个声光调制器(AOM1、AOM2、AOM3)控制激光频率;这三束激光(频率为ωx‑,ωy‑,ωz‑)分别通过真空冷原子俘获腔上的扩束准直装置自上而下射入腔中。
[0025] 冷却光Cooling2先通过声光调制器AOM4控制激光频率,之后经过分束器Splitter2分成频率相同、光功率相同的三束激光。这三束激光(频率为ωx+,ωy+,ωz+)分别通过扩束准直装置自下而上射入腔中,与自上而下的三束激光对射;
[0026] 这三组对射光相互正交,控制这4个声光调制器AOM1、AOM2、AOM3和AOM4,使得三组对射光频率相同,即Δωi=ωi+‑ωi‑=0(i=x,y,z),对原子进行俘获和冷却,并使得原子处于真空俘获腔的三维中心。
[0027] 步骤S2、以真空冷原子俘获腔三维中心为坐标原点,建立三组相互正交对射光方向构成的坐标系 和基于竖直抛射方向的坐标系 其中 在水平面的投影与 相平行。设定 方向上的速度vax,方向上的速度v||, 方向上的速度v⊥,带入到如下理论计算的速度公式:
[0028]
[0029] 取 三组对射光的频率差Δ ωx,Δ ωy和Δ ωz为:
[0030]
[0031] 步骤S3、根据计算得到的三组对射光的频率差Δωx,Δωy和Δωz,通过软件程序独立控制声光调制器AOM1、AOM2,AOM3,AOM4的驱动电路的频率和信号功率,使得自上而下的三束冷却激光的频率(ωx‑,ωy‑,ωz‑),低于与其对射的自下而上的三束冷却光的频率(ωx+,ωy+,ωz+),频率差为Δωx,Δωy,和Δωz,原子受到激光场的频率差产生的辐射压力进行抛射。
[0032] 抛射速度为 抛射角度为抛射速度与垂直轴 的夹角和抛射速度在水平面 上投影向量与 轴的夹角
[0033] 整个过程通过自动数控的方式精确控制。这样就可以在原子喷泉或者原子干涉仪实验中,对抛射方向进行优化,并且通过扫描抛射方向,测量一些过去无法测试的物理效应,最终提升这些装置的性能指标。
[0034] 与现有技术相比,本发明的有益效果:
[0035] 1)本发明利用独立控制三维方向上对射光的频率差的方法,相比机械调节,利用光学的方法能够简单精确地调节冷原子的初速度,实现冷原子可以在任意角度抛射。
[0036] 2)本发明将冷原子抛射方向控制与装置的其它单元调节脱开,实现了对抛射的独立控制。调节速度由声光调制器的频率写入与调节单元决定,远快于原子抛射所需要的约1ms的时间,因此可以实现实时控制。频率的控制精度可以远小于1Hz,对应的速度精度优于
1μm/s,是非常精确的速度控制方法。
[0037] 3)本发明适用于原子喷泉钟、原子干涉仪等领域,在相关领域有重要应用价值。本发明也适用于(0,0,1)和(0,1,1)抛射模式。附图说明
[0038] 图1为基于光学控制冷原子任意角度的抛射方法的移动光学黏胶原子抛射光路示意图。
[0039] 图2为基于光学控制冷原子任意角度的抛射方法的原子速度矢量映射分析图。
[0040] 图3为基于光学控制冷原子任意角度的抛射方法的流程图
[0041] 图中:Cooling1‑1、Cooling2‑2、Splitter1‑3、Splitter2‑4、AOM1‑5、AOM2‑6、AOM3‑7、AOM4‑8、三个扩束准直装置‑9、10、11、三个扩束准直装置‑12、13、14、真空冷原子俘获腔‑15。

具体实施方式

[0042] 下面结合实施列和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
[0043] 参阅图3是本发明光学控制冷原子任意角度的抛射方法的示意流程图。根据图1中的移动光学黏胶原子抛射光路方案,对图3的步骤展开具体描述:
[0044] 步骤S1、在原子喷泉钟实验中,首先三组相互正交,同频率红失谐的对射光按照标准磁光阱和光学粘胶的激光冷却方法对原子进行俘获和冷却。
[0045] 冷却光Cooling1经过分束器Splitter1分成频率相同、光功率相同的三束激光,之后分别通过三个声光调制器AOM1、AOM2、AOM3控制激光频率。这三束激光通过真空冷原子俘获腔15上的三个扩束准直装置9、10、11自上而下射入腔中。
[0046] 冷却光Cooling2先通过声光调制器AOM4控制激光频率,之后经过分束器Splitter2分成频率相同、光功率相同的三束激光。这三束激光通过三个扩束准直装置12、
13、14自下而上射入腔中,与自上而下的三束激光对射。这三组对射光相互正交。
[0047] 控制这4个声光调制器,使得三组对射光频率相同,对原子进行俘获和冷却,并使得原子处于真空俘获腔15的三维中心。
[0048] 步骤S2、以真空冷原子俘获腔15三维中心为坐标原点,建立三组相互正交对射光方向构成的坐标系 和基于竖直抛射方向的坐标系 其中 在水平面的投影与 相平行。
[0049] 方向上的速度为vax,方向上的速度为v||, 方向上的速度为v⊥,公式如下:
[0050]
[0051] 其中β是 平面以 轴逆时针旋转角度,θ是 平面以 轴顺时针旋转角度。在(1,1,1)结构模式中,取 对这三个速度vax,v||,和v⊥的值
进行初始设定,得到这三组对射激光的频率差Δωx,Δωy和Δωz:
[0052]
[0053] 步骤S3、根据计算得到的三组对射光的频率差Δωx,Δωy和Δωz,通过软件程序独立控制声光调制器AOM1(5)、AOM2(6),AOM3(7)和AOM4(8)的驱动电路的频率和信号功率,使得自上而下的三束冷却激光负失谐于对其对射的冷却光,原子受到激光场的辐射压力上抛。
[0054] 抛射速度为 抛射角度为抛射速度与垂直轴 的夹角和抛射速度在水平面 上投影向量与 轴的夹角
[0055] 本发明利用独立控制三维方向上对射光的频率差的方法,相比机械调节,利用光学的方法能够简单精确地调节冷原子的初速度,实现冷原子可以在任意角度抛射。
[0056] 本发明将冷原子抛射方向控制与装置的其它单元调节脱开,实现了对抛射的独立控制。调节速度由声光调制器的频率写入与调节单元决定,远快于原子抛射所需要的约1ms的时间,因此可以实现实时控制。频率的控制精度可以远小于1Hz,对应的速度精度优于1μm/s,是非常精确的速度控制方法。本发明适用于原子喷泉钟、原子干涉仪等领域,在相关领域有重要应用价值。本发明也适用于(0,0,1)和(0,1,1)抛射模式。
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