一种测量6Li冷原子总碰撞截面的装置及方法与流程

测量装置的制造及其应用技术一种测量6li冷原子总碰撞截面的装置及方法技术领域1.本技术涉及精密测量技术领域，具体而言，涉及一种测量6li冷原子总碰撞截面的装置及方法背景技术：2.在超冷原子的碰撞当中，原子的碰撞截面研究是一个热门的研究课题，粒子的碰撞截面大小反映了粒子发生碰撞的概率，通过研究粒子的碰撞截面，可以获得原子冷却及bec实验中被捕获粒子的损失率、两体及多体碰撞参数、势阱深度等重要信息。3.现有测量冷原子的碰撞截面通常使用的是高度准直的交叉激光束，即两个垂直的准直原子(或分子)束在一个固定的相互作用区域交叉，然后通过带有狭缝的粒子检测器以相对于入射光束的某个限定角度检测从这些其中某个光束散射的原子来测量横截面。4.但是由于测量过程中需要确定冷原子的绝对数量，并且原子束中的重叠会导致误差，所以现有这种技术很难进行总碰撞截面的测量。技术实现要素：5.本技术的主要目的在于提供一种测量6li冷原子总碰撞截面的装置及方法，利用磁光阱或磁阱中俘获的冷原子与背景气体碰撞的损失率来测量冷原子绝对碰撞截面，不需要知道目标冷原子的绝对数量，只需要知道碰撞气体种类的绝对压力以及势阱深度，即可精确测量与不同背景气体碰撞的6li冷原子总碰撞截面。6.为了实现上述目的，本技术提供了一种测量6li冷原子总碰撞截面的装置，包括真空抽气系统、进气系统、电离真空计、6li源、二维磁光阱以及三维磁光阱，其中：进气系统通过管路与三维磁光阱的真空室连接，进气系统包括气瓶和微调阀；电离真空计设置在进气系统与三维磁光阱之间的管路上；真空抽气系统包括分子泵、干泵、钛泵、第一离子泵以及第二离子泵，分子泵和干泵设置在气瓶与微调阀之间，钛泵和第一离子泵设置在微调阀与三维磁光阱之间的管路上；三维磁光阱通过管路与二维磁光阱连接；第二离子泵设置在三维磁光阱与二维磁光阱之间的管路上；6li源与二维磁光阱连接。7.进一步的，还包括示波器，三维磁光阱依次通过带通滤波片、准直透镜以及光电倍增器与示波器连接。8.进一步的，还包括差分管，差分管设置在三维磁光阱与二维磁光阱之间。9.进一步的，三维磁光阱的磁场由反亥姆霍兹线圈组成，包括三组偏振激光对射装置。10.进一步的，三维磁光阱的每组偏振激光对射装置均包括光纤耦合头、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片以及全反射镜。11.进一步的，二维磁光阱的磁场由两组钕铁硼永磁铁组成，包括两组偏振激光对射装置。12.进一步的，二维磁光阱的每组偏振激光对射装置均包括光纤耦合头、偏振分光棱镜、1/4波片以及全反射镜。13.进一步的，分子泵和气瓶与微调阀之间均设置有角阀。14.进一步的，还包括激光光路系统，激光光路系统包括2d光路部分、3d光路部分以及锁定光路部分，其中：3d光路部分能够形成三维冷却光和三维再泵浦光，两束光耦合后通过三维磁光阱的三组偏振激光对射装置中的光纤耦合头射入三维磁光阱；2d光路部分能够形成推送激光、二维冷却光和二维再泵浦光，推送激光通过光纤耦合头以及1/2波片沿水平方向直接射入二维磁光阱中，二维冷却光和二维再泵浦光耦合后通过二维磁光阱的两组偏振激光对射装置中的光纤耦合头射入二维磁光阱；锁定光路部分基于饱和吸收谱技术进行激光器的锁定。15.此外本技术还提供了一种应用测量6li冷原子总碰撞截面装置的方法，包括如下步骤：步骤1、打开真空抽气系统对真空室进行抽气，将真空度抽至1×10-8pa，然后加热6li源至513k，使6li原子沿竖直方向喷出，进入到二维磁光阱中；步骤2、打开激光光路系统，形成2d光路和3d光路，将2d光路射入到二维磁光阱中，3d光路射入到三维磁光阱中；步骤3、6li原子在二维磁光阱中通过二维冷却囚禁方式将原子速度降低并囚禁在加热装置上方，而水平方向的推送激光会将二维磁光阱中的冷原子穿过差分管推送至三维磁光阱中进行装载；步骤4、打开角阀，通过分子泵和干泵对管道进行抽气，将杂质气体抽取完成后关闭角阀，向三维磁光阱中的真空室输送气体，通过调节微调阀，控制进入真空室气体的流量；步骤5、通过电离真空计观察真空度是否稳定，通过示波器观察冷原子荧光功率，当荧光功率稳定时可认为冷原子装载完毕，关闭二维磁光阱和推送激光；步骤6、此时，在三维磁光阱中的冷原子会与引入的气体分子发生碰撞，冷原子的原子数会进行衰减，记录数据并根据公式可以得到冷原子的损失率，多次改变真空度并测量对应的损失率，根据公式可以拟合得到势阱深度的损失率系数；步骤7、调节激光光路系统，改变入射冷却光的频率失谐和光功率，从而能够调节三维磁光阱的阱深，并使阱逐渐变浅，每调节一次，重复步骤6中改变真空度并测量对应的损失率，拟合得到此势阱深度时的损失率系数，最后逐渐外推可得到势阱深度为0时的损失率系数，即为总碰撞截面。16.本发明提供的一种测量6li冷原子总碰撞截面的装置及方法，具有以下有益效果：17.本技术利用激光冷却6li原子来测量总碰撞截面，采用二维磁光阱转移三维磁光阱的方式，避免了腔体中热原子与冷原子之间的碰撞，减少了原子损耗，并且改善了现有塞曼减速器工作时发热对背景气体温度的影响，在三维磁光阱中实现大原子数的俘获并降低测量的不确定性，不需要知道目标冷原子的绝对数量，只需要改变不同势阱深度，并根据背景气体压力与损失率的关系得到损失率，即可实现总碰撞截面的精确测量。附图说明18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：19.图1是根据本技术实施例提供的测量6li冷原子总碰撞截面的装置的结构图；20.图2是根据本技术实施例提供的测量6li冷原子总碰撞截面的装置的激光光路图；21.图3是根据本技术实施例提供的测量6li冷原子总碰撞截面的装置的二维磁光阱、三维磁光阱以及推送激光的参数设计图；22.图中：1-电离真空计、2-角阀、3-分子泵、4-干泵、5-微调阀、6-气瓶、7-钛泵、8-第一离子泵、9-第二离子泵、10-带通滤波片、11-准直透镜、12-光电倍增器、13-差分管、14-示波器、15-6li源、16-激光器、17-锂原子蒸汽池、fc-光纤耦合头、m-全反射镜、qwp-1/4波片、hwp-1/2波片、pbs-偏转分光棱镜、ta-激光放大器、iso-光隔离器、cl-柱面镜、amo-声光调制器、bs-分光棱镜、pd-光电探测器、iris-光阑、glass-高透低反镜。具体实施方式23.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。24.如图1所示，本技术提供了一种测量6li冷原子总碰撞截面的装置，包括真空抽气系统、进气系统、电离真空计1、6li源15、二维磁光阱以及三维磁光阱，其中：进气系统通过管路与三维磁光阱的真空室连接，进气系统包括气瓶6和微调阀5；电离真空计1设置在进气系统与三维磁光阱之间的管路上；真空抽气系统包括分子泵3、干泵4、钛泵7、第一离子泵8以及第二离子泵9，分子泵3和干泵4设置在气瓶6与微调阀5之间，钛泵7和第一离子泵8设置在微调阀5与三维磁光阱之间的管路上；三维磁光阱通过管路与二维磁光阱连接；第二离子泵9设置在三维磁光阱与二维磁光阱之间的管路上；6li源15与二维磁光阱连接。25.具体的，本技术实施例提供的测量6li冷原子总碰撞截面的装置，首先利用真空抽气系统对环境进行抽真空，然后对6li源15进行加热，使6li原子沿竖直方向喷出，进入到二维磁光阱中，通过二维冷却囚禁方式将原子速度降低并囚禁在加热装置上方，水平方向的推送激光会使二维磁光阱中的冷原子穿过差分管13推送至三维磁光阱的区域，用光电倍增器12收集三维磁光阱中冷原子的荧光信号并转换成电信号显示在示波器14上表示冷原子数的变化，当示波器14显示冷原子数装载完毕趋于不变时，通过时序控制关闭二维慈光阱的激光、推送激光以及三维磁光阱的激光，同时增加三维磁光阱的磁场梯度，使磁光阱迅速变为磁阱，囚禁冷却后的原子，囚禁的冷原子将与微调阀5通入的背景气体碰撞造成数目的损失，同时真空抽气系统与进气系统配合维持恒定的压力，通过测量的损失率与压力之间的关系拟合得到某一固定阱深下的损失率系数进而能提取出碰撞损失截面，通过改变三维磁光阱的冷却激光强度和频率失谐改变阱深，并可得到不同阱深下的损失截面，总碰撞截面可由损失截面外推至势阱深度为零时得到。在本技术实施例中，真空抽气系统采用两组溅射离子泵加钛升华泵的抽气机组进行抽气，离子泵主要用于维持真空，当分子数过多离子泵维持不了时，打开钛泵7进行维持，使得系统的真空度能够提升一到两个量级，第二离子泵9主要在二维磁光阱与三维磁光阱之间进行低真空抽取，第一离子泵8与钛泵7主要用于在进气系统与三维磁光阱之间进行高真空抽气，分子泵3和干泵4主要用于抽取微调阀5与角阀2之间的杂质气体，采用本设计的真空抽气系统，真空室的压力最低为1×10-8pa。气瓶6主要用于提供碰撞的背景气体，在微调阀5的调节下，引入的气源可在真空室内产生10-8-10-6pa范围的变化压力。电离真空计1与三维磁光阱连接，主要用于测量主真空室的真空度，根据电离真空计1的示数，可以随时对真空室内的真空度进行调整。6li源15内一次装载2g的金属锂，内部逐级加热后可持续产生513k的6li原子蒸汽。加热后的6li原子蒸气首先通过二维磁光阱将一部分原子速度降到几十m/s，在水平方向打入一束推送激光后，沿着与二维磁光阱和三维磁光阱轴对齐的水平方向将冷原子推送至三维磁光阱区域，速度会降至几m/s。26.进一步的，还包括示波器14，三维磁光阱依次通过带通滤波片10、准直透镜11以及光电倍增器12与示波器14连接。光电倍增器12主要用于收集三维磁光阱中冷原子的荧光信号并转换成电信号显示在示波器14上，在示波器14上可以观察冷原子的原子数变化，用光电倍增器12的电压变化表示原子数的变化，并因此可以拟合得到冷原子的损失率，其中，带通滤波片10主要用于过滤掉其它波段的杂散光，准直透镜11主要用于对光束进行准直和会聚。27.进一步的，还包括差分管13，差分管13设置在三维磁光阱与二维磁光阱之间。差分管13主要用于维持压强差，可以维持两个量级以上的压强差，设置在三维磁光阱与二维磁光阱之间，可以抑制原子加热导致的背景气体压力增加对三维慈光阱处的影响。28.进一步的，三维磁光阱的磁场由反亥姆霍兹线圈组成，包括三组偏振激光对射装置。三维磁光阱磁场由反亥姆霍兹线圈组成，光场由六束交叉对射的反向圆偏振激光组成，每束激光包含了按一定强度比例混合的三维冷却光和三维再泵浦光。29.进一步的，三维磁光阱的每组偏振激光对射装置均包括光纤耦合头fc、1/2波片hwp、偏振分光棱镜pbs、1/4波片qwp以及全反射镜m。光纤耦合头fc能够改变进入光纤激光光斑的大小和形状等性质，后面的曲线代表与其连接的光纤，主要就是将激光光束进行整形，再引入或者引出光纤；1/2波片hwp主要用于对偏振光进行旋转，当入射光为左(右)旋偏振光时，出射光将变为右(左)旋偏振光；1/4波片qwp主要用于改变偏振光的偏振状态，当入射光为线偏振光时，透射光会变成圆偏振光，当入射光为圆偏振光时，出射光将变成线偏振光；偏振分光棱镜pbs主要用于分离光线的水平偏振和垂直偏振；全反射镜m主要使入射的激光产生镜面反射出去。30.进一步的，二维磁光阱的磁场由两组钕铁硼永磁铁组成，包括两组偏振激光对射装置。，二维磁光阱的磁场由两组钕铁硼永磁铁产生，光场由四束交叉对射的反向圆偏振激光组成，每束激光包含了按一定强度比例混合的二维冷却光和二维再泵浦光，其中，推送激光沿二维磁光阱水平方向射入到三维磁光阱中。31.进一步的，二维磁光阱的每组偏振激光对射装置均包括光纤耦合头fc、偏振分光棱镜pbs、1/4波片qwp以及全反射镜m。32.进一步的，分子泵3和气瓶6与微调阀5之间均设置有角阀2。角阀2主要用于控制分子泵3抽气的开关以及气瓶6气体的输送。33.进一步的，还包括激光光路系统，激光光路系统包括2d光路部分、3d光路部分以及锁定光路部分，其中：3d光路部分能够形成三维冷却光和三维再泵浦光，两束光耦合后通过三维磁光阱的三组偏振激光对射装置中的光纤耦合头fc射入三维磁光阱；2d光路部分能够形成推送激光、二维冷却光和二维再泵浦光，推送激光通过光纤耦合头fc以及1/2波片hwp沿水平方向直接射入二维磁光阱中，二维冷却光和二维再泵浦光耦合后通过二维磁光阱的两组偏振激光对射装置中的光纤耦合头fc射入二维磁光阱；锁定光路部分基于饱和吸收谱技术进行激光器的锁定。34.具体的，激光光路系统如图2所示，激光参数如图3所示，激光器16直接输出一部分激光经过声光调制器aom3、aom4分别用作三维磁光阱的冷却光和再泵浦光，其中冷却光频率相对于6li的d2线|22s1/2，f＝3/2》→|22p3/2，f′＝5/2》下红失谐δ3dc，再泵浦光频率相对于6li的d2线|22s1/2，f＝1/2》→|22p3/2，f′＝5/2》下红失谐δ3dr，两束激光经过耦合头fc4、fc5输出后耦合进单模保偏光纤，经过光纤分束后与三维磁光阱中的三组偏振激光对射装置中的光纤耦合头fc连接，在三维磁光阱中形成三对两两相互垂直、交叉对射的反向圆偏振冷却光和再泵浦光。而激光器16输出的另一部分光经过激光放大器ta将功率放大后同样经过两个声光调制器aom1、aom2用作二维磁光阱的冷却光和再泵浦光，其中冷却光锁定在|22s1/2，f＝3/2》→|22p3/2，f′＝5/2》下红失谐δ2dc，再泵浦光锁定在|22s1/2，f＝1/2》→|22p3/2，f′＝5/2》下红失谐δ2dr，两束激光经过耦合头fc2、fc3输出后耦合进单模保偏光纤，经过光纤分束后与二维磁光阱的两组偏振激光对射装置中的光纤耦合头fc连接，在二维磁光阱中形成两对交叉对射的反向圆偏振冷却光和再泵浦光。此外，还有一部分二维冷却光通过偏振分光棱镜pbs6作为推送激光经过耦合头fc1输出后通过光纤与二维磁光阱中水平的光纤耦合头fc连接，沿水平方向直接射入二维磁光阱中。在激光冷却原子时，需要激光器16的频率一直锁定在6li原子的d2跃迁线附近，因此基于饱和吸收谱技术还设计了锁定光路部分，从激光器16出射的激光经过pbs3分光后通过高透低反镜glass，利用镜片前后两个表面都具有反射效果的原理，将一束激光分成两束光功率相等的弱发射光和一束功率较强的透射光，两束反射光平行射入锂原子蒸汽池17中，透射的强光从反方向入射蒸气池，与其中一束反射光对打，由于透射光较强的功率，在原子共振谱线附近将大量基态原子泵浦到激发态使得与弱光相互作用的原子数目减少，弱光的吸收比例降低，因此弱光在共振点附近出现凸起的“小峰”，与弱参考光的吸收信号相减，即可得到原子吸收谱线，将激光器16锁定在原子吸收谱线的“小峰”上，最后激光器16完成锁定。本技术实施例中的激光光路图主要用于向二维磁光阱中射入推送激光、二维冷却光以及二维再泵浦光，向三维磁光阱中射入三维冷却光和三维再泵浦光，而对图2中的1/2波片hwp、偏振分光棱镜pbs、全反射镜m、激光放大器ta、光隔离器iso、柱面镜cl、声光调制器amo、1/4波片qwp、分光棱镜bs、光电探测器pd、光阑iris以及高透低反镜glass等光学元器件的位置和数量不做具体限定。35.此外本技术还提供了一种应用测量6li冷原子总碰撞截面装置的方法，包括如下步骤：36.步骤1、打开真空抽气系统对真空室进行抽气，将真空度抽至1×10-8pa，然后加热6li源15至513k，使6li原子沿竖直方向喷出，进入到二维磁光阱中；37.步骤2、打开激光光路系统，采用饱和吸收稳频技术将激光器16频率锁定在6li的d2|22s1/2，f＝3/2》→|22p3/2，f′＝5/2》跃迁的-200mhz，形成2d光路和3d光路，将2d光路射入到二维磁光阱中，3d光路射入到三维磁光阱中；38.步骤3、6li原子在二维磁光阱中通过二维冷却囚禁方式将原子速度降低并囚禁在加热装置上方，而水平方向的推送激光会将二维磁光阱中的冷原子穿过差分管13推送至三维磁光阱中进行装载；39.步骤4、打开角阀2，通过分子泵3和干泵4对管道进行抽气，将杂质气体抽取完成后关闭角阀2，向三维磁光阱中的真空室输送气体，通过调节微调阀5，控制进入真空室气体的流量；40.步骤5、将真空度稳定在电离真空计1示数p1，通过示波器14观察冷原子荧光功率，当荧光功率稳定时可认为冷原子装载完毕，关闭二维磁光阱和推送激光；41.步骤6、此时，在三维磁光阱中的冷原子会与引入的气体分子发生碰撞，冷原子的原子数会进行衰减，记录数据并根据公式(1)可以提取出p1时冷原子的损失率γ0，[0042][0043]式(1)中，γ0为囚禁冷源与背景气体分子碰撞的损失率，β为陷俘原子间与密度相关的损失率，nt为初始原子数目，原子的数目变化利用陷俘原子散射的荧光测得，并可绘制为与时间变化的函数，从衰减曲线中即可以提取不同真空度下的损失率γ0，多次改变真空度并测量对应的损失率，根据公式(2)可以拟合得到势阱深度u的损失率系数；[0044]γ0＝n＜σloss(u)vbg》ꢀꢀꢀ(2)[0045]式(2)中，n为背景气体的密度，由n＝p/kb t得到，损失率系数其中，为背景气体平均速度，mbg为背景气体分子质量，t为背景温度；[0046]步骤7、调节激光光路系统，改变入射冷却光的频率失谐和光功率，从而能够调节三维磁光阱的阱深，并使阱逐渐变浅，每调节一次，重复步骤6中改变真空度并测量对应的损失率，拟合得到此势阱深度时的损失率系数，最后逐渐外推可得到势阱深度为0时的损失率系数，即为总碰撞截面。[0047]以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。









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