專利名稱：原子束相襯成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于原子束成像技術，特別涉及一種原子束相襯成像裝置，不采用干涉方法，可以獲得待測樣品的位相信息。
背景技術：
近年來，由于激光冷卻減速技術以及原子衍射柵制造技術的發(fā)展，為研究原子束干涉儀提供了技術基礎。1991年美國麻省理工學院的D.W.Keith首次用三塊透射光柵建成Ne原子干涉儀。第一塊光柵用來分束，第二塊光柵用來會聚，第三塊光柵用來取樣，其原理類似于早期的中子干涉儀結構。然而，這種干涉儀經兩次衍射以后，效率很低，又結構復雜，調整困難，并不具有實用價值。
我們知道，通常要取得待測物體的位相信息，只有通過干涉方法，將待測樣品置入干涉儀的一個臂中。干涉的結果從兩個臂程差求得待測樣品位相的信息。
近年來，X射線相襯成像技術取得了飛速發(fā)展，這種成像技術的最大特點是，不采用干涉法，可以獲得位相信息。
X射線相襯成像主要有以下四種方法干涉法、衍射增強法、類同軸全息法和數字重構相襯成像法，目前被廣泛使用的是類同軸全息法(參見在先技術[1]A.Snigirev，I.Snigireva，V.Kohu et al.，Rev.Sci.Instrum.1995，66，5486-5492，[2]S.W.Wilkins，T.E.Guregev，D.Gao et al.，Nature(London)，1996，384，335-338)。
如果采用相干X射線或部分相干X射線通過物體時，除了吸收以外，還要產生位相變化，即發(fā)生波前的畸變。這種波面畸變導致部分波面的傳播方向發(fā)生變化，使波面重疊而形成干涉。這樣，位相變化轉化成強度變化，這是相襯成像的物理基礎，更為重要的是，這種圖像不經任何重構技術，可直接獲得位相變化圖像。
從以上分析可知，當硬X射線穿透樣品后，如果將探測器直接放在樣品后面，記錄的是一張基于吸收襯度機制的X射線投影圖。如果探測器和樣品距離滿足以下公式時Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49---(1)]]>就可以獲得物體的位相襯度像，式中λ是X射線波長，U是物體空間頻率，Z1是待測樣品和X射線源的距離。因此，當λ、U、Z1已確定以后，Z2有一特定距離。特別要指出的是，這種相襯像反映的是物體折射率發(fā)生突變的地方。
圖1為X射線相襯成像裝置原理圖，它由三部分組成X射線源1，待測樣品8和記錄系統9。當X射線源1發(fā)出的X射線通過待測樣品8以后，含有待測樣品的位相信息。如果記錄系統9放置在距待測樣品8的距離Z2滿足1式時，在記錄系統9上獲得待測樣品8的位相信息。
X射線相襯成像技術，在探測生物樣品、材料等實體方面非常有效，但它不能用來測試諸如電磁場、重力場等的位相變化。
受X射線相襯成像的啟發(fā)，將其原理應用于原子光學中。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于克服上述在先技術中的不足，提供一種原子束相襯成像記錄裝置，該裝置應能夠測量電磁場、重力場等任何能引起原子束位相變化的物理量。
本發(fā)明技術思想是按照物質波干涉原理，把X射線相襯成像技術引進到原子光學中來。
本發(fā)明的技術解決方案是一種原子束相襯成像裝置，其特征在于它由四部分組成第一部分原子束源，它含有七個部分波長為598nm的激光器、光學透鏡、Ne原子源、波長為640mm的染料激光器、磁光冷鏡、兩個針孔光闌；所說的激光器用來把Ne原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，即Ne+hv→Ne*+e;]]>所說的光學透鏡用來把激光器輸出光束聚焦到一個小尺寸，以激發(fā)Ne原子；所說的Ne原子源是一個Ne原子爐；所說的染料激光器，用來形成一個駐波場囚禁Ne原子，讓原子減速；所說的磁光冷鏡由磁場和激光場組成，用來冷卻原子；所說的兩針孔光闌的孔徑為0.2mm，兩針孔光闌間的距離為0.6m，用來準直原子束；第二部分為待測樣品；第三部分為記錄系統和計算機所說的記錄系統是微通道板和CCD，它是將具有一定能量的原子束來照明微通道板產生電子，再用CCD接收；所說的計算機和CCD聯接，顯示CCD接收到的信息；所述的記錄系統與待測樣品的距離為Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>式中λ是德布羅意波長，U是物體空間頻率；第四部分為真空系統，除激光器、光學透鏡和Ne原子束源、激光器和計算機以外，其它部分皆工作在該高真空系統中。
與在先技術相比本發(fā)明的原子束相襯成像裝置，能測量出任何一種可引起干涉位相變化的作用量，如電磁場、重力場等。借此可以用來測量原子的凈電荷，玻色子的轉動相移，伯瑞(Berry)位相特性(原子在空間變化的磁場中的運動)；還可以進行廣義相對論的研究，測量地球的轉動速度，測重力加速度的絕對值，在導航、測繪、地質結構等方面都有極大的應用價值。


圖1為在先技術X射線相襯成像裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明原子束相襯成像裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的原子束相襯成像裝置如圖2所示，它是由四部分組成，第一部分原子束源，第二部分待測樣品，第三部分記錄和顯示裝置，第四部分為真空系統。
第一部分原子束源，它含有七個部分波長為598nm的激光器1，光學透鏡2，Ne原子源3，波長為640mm的染料激光器4，磁光冷鏡5，針孔光闌6、7。
第二部分為待測樣品8。
第三部分為記錄系統9和計算機10。
第四部分為真空系統11。
所說的激光器1，輸出波長為598nm，它是用來把Ne原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，即Ne+hv→Ne*+e.]]>所說的光學透鏡2是用來把激光器1輸出光束聚焦到一個小尺寸，以激發(fā)Ne原子。
所說的Ne原子源3是一個Ne原子爐。
所說的染料激光器4，波長為640nm，它用來形成一個駐波場囚禁Ne原子，讓原子減速。
所說的磁光冷鏡5，它是由磁場和激光場組成，用來冷卻原子。
所說的針孔光闌6、7，直徑為0.2mm，用來準直原子束。兩針孔光闌6、7間的距離為0。6m.
所說的待測樣品8，是能用來影響原子束位相的物體，如重力場等。
所說的記錄系統9是微通道板和CCD，它是將具有一定能量的原子束來照明微通道板產生電子，再用CCD接收。
所說的計算機10是用來和CCD聯接，顯示CCD接收到的信息。
所說的真空系統11，它是由3個機械泵和3個擴散泵構成。
當原子爐3中的Ne原子首先被波長為598nm的激光器1，經光學透鏡2聚焦激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)1S5Ne*，進入磁光冷鏡5。
磁光陷阱5是由激光場4和磁場組成的，能對原子進行冷卻和捕捉，由于它結構簡單，所以多年來被廣泛用作冷原子束實驗的基本工具。磁光陷阱即是用圓偏振的光產生光學粘膠，把光的頻率調諧至略低于原子的吸收線，并從所有方向照射原子，多普勒頻移使對著運動原子入射的光移近共振，而使背離它的光遠離共振，這樣原子優(yōu)先散射從前方來的光子并被減速。
通常用六束激光形成三個相互垂直的駐波場，這樣，原子在任何地方都可以受到一個粘滯阻尼力F，阻制其運動，能夠囚禁一部分原子，形成可見的原子云，這樣的原子云被命名為光學粘膠。
如果僅用光學粘膠的方法，來冷卻和囚禁原子時，常使原子失諧，用一個球形四極矩磁場是，當原子遠離原點時，塞曼頻移使其趨于共振，光束就把原子向原點退回。典型的磁光陷阱，囚禁原子數目可達1010，溫度在10～100μk范圍內，密度可達1012/cm2。
1S5Ne*原子在磁光冷鏡5中減速以后，慢慢漂移，變成1S3Ne*原子，經過針孔光闌6、7以后，改善了原子束的空間相干性，和待測樣品8相互作用，含有樣品的位相信息，被記錄系統9測得相襯圖像顯示在計算機11上。
除激光器1，光學透鏡2和Ne原子束源3，激光器4和計算機11以外，其它部分皆工作在高真空系統中。
當原子中的Ne原子首先被波長為598nm的激光器1，經光學透鏡2聚焦激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)1S5Ne*，進入磁光冷鏡5。
磁光陷阱是由激光場和磁場組成的，能對原子進行冷卻和捕捉，由于它結構簡單，所以多年來被廣泛用作冷原子束實驗的基本工具。磁光陷阱即是用圓偏振的光產生光學粘膠，把光的頻率調諧至略低于原子的吸收線，并從所有方向照射原子，多普勒頻移使對著運動原子入射的光移近共振，而使背離它的光遠離共振，這樣原子優(yōu)先散射從前方來的光子并被減速。
1S5Ne*原子在磁光冷鏡5中減速以后，慢慢漂移，變成1S3Ne*原子，經過針孔光闌6、7以后，改善了原子束的空間相干性，和待測樣品8相互作用，含有樣品的位相信息，被放置在距待測樣品的距離為Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>處的記錄系統9測得相襯圖像顯示在計算機10上。
除激光器1，光學透鏡2和Ne原子束源3，激光器4和計算機10以外，其它部分皆工作在高真空系統11中。
本發(fā)明的原子束相襯成像裝置，能測量出任何一種可引起干涉位相變化的作用量，如電磁場、重力場等。借此可以用來測量原子的凈電荷，玻色子的轉動相移，伯瑞(Berry)位相特性(原子在空間變化的磁場中的運動)；還可以進行廣義相對論的研究，測量地球的轉動速度，測重力加速度的絕對值，在導航、測繪、地質結構等方面都有極大的應用價值。
權利要求
1.一種原子束相襯成像裝置，其特征在于它由四部分組成第一部分原子束源，它含有七個部分波長為598nm的激光器(1)、光學透鏡(2)、Ne原子源(3)、波長為640mm的染料激光器(4)、磁光冷鏡(5)、針孔光闌(6、7)；所說的激光器(1)，用來把Ne原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，即；所說的光學透鏡(2)用來把激光器(1)輸出光束聚焦到一個小尺寸，以激發(fā)Ne原子；所說的Ne原子源(3)是一個Ne原子爐；所說的染料激光器(4)，用來形成一個駐波場囚禁Ne原子，讓原子減速；所說的磁光冷鏡(5)由磁場和激光場組成，用來冷卻原子；所說的針孔光闌(6、7)的孔徑為0.2mm，兩針孔光闌(6、7)間的距離為0.6m，用來準直原子束；第二部分為待測樣品(8)；第三部分為記錄系統(9)和計算機(10)所說的記錄系統(9)是微通道板和CCD，它是將具有一定能量的原子束來照明微通道板產生電子，再用CCD接收；所說的計算機(10)和CCD聯接，顯示CCD接收到的信息；所述的記錄系統(9)與待測樣品(8)的距離為Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>式中λ是德布羅意波長，U是物體空間頻率；第四部分為真空系統(11)，除激光器(1)、光學透鏡(2)和Ne原子束源(3)、激光器(4)和計算機(10)以外，其它部分皆工作在該高真空系統(11)中。
全文摘要
一種原子束相襯成像裝置，其特征在于它由四部分組成第一部分原子束源，它含有七個部分波長為598nm的激光器、光學透鏡、Ne原子源、波長為640mm的染料激光器、磁光冷鏡、兩個針孔光闌；第二部分為待測樣品；第三部分為記錄系統和計算機所說的記錄系統是微通道板和CCD，它是將具有一定能量的原子束來照明微通道板產生電子，再用CCD接收；所說的計算機和CCD聯接，顯示CCD接收到的信息；所述的記錄系統與待測樣品的距離為Z
文檔編號G01N23/20GK1527047SQ0315108
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月19日 優(yōu)先權日2003年9月19日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 謝紅蘭, 陸培祥, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所