本發(fā)明涉及冷原子物理領(lǐng)域的冷原子源，尤其涉及一種基于雙級二維磁光阱的大束流冷原子源。
背景技術(shù)：
在冷原子研究領(lǐng)域，制備出大數(shù)量、低溫度的冷原子源是開展基礎(chǔ)和應用研究的前提。三維磁光阱【MOT】是制備冷原子源的有效途徑，可參看【New Journal of Physics 12 (2010) 095009，Nature 400（1999）849等】。一般情況下，磁光阱能在數(shù)秒內(nèi)從原子背景蒸汽中裝載約108～109個原子，并將之冷卻到數(shù)十微開量級。
磁光阱在裝載原子過程中，如果背景真空度較高，原子背景蒸汽壓比較小時，初始裝載速率將比較慢，達到平衡狀態(tài)的原子數(shù)也比較少，但由于其背景碰撞小，原子團壽命較長；而當原子背景蒸汽壓比較大時，初始裝載速率將比較快，達到平衡狀態(tài)的原子數(shù)較多，但由于其過高的背景碰撞率，使其原子團壽命迅速變短。即在較高的原子背景蒸汽下，可以較快地獲得數(shù)量很大的原子團，但其壽命由于背景碰撞的影響下，迅速變短?！綪hys.Rev.A.58, 3891, Phys.Rev.A.66, 23410，1984，PhysRevA38,1599】
然而，在冷原子研究中，往往要求原子團的原子數(shù)量既多，壽命又長。
如在原子干涉儀實驗上對MOT的要求是縮短兩次上拋原子的間隔（因MOT參數(shù)改變，會增加實驗的原子數(shù)和溫度的run-to-run起伏誤差），同時為了縮短實驗周期，所以快速裝載MOT是對其重要要求之一，已有試驗可做到40ms裝載109個原子【Phys.Rev.Lett.114（2015）013001】。對MOT收集原子數(shù)目的要求是，與數(shù)目成開根號反比的量子投影噪聲在實驗中不是最大的噪聲來源【Phys.Rev.A.81,043633 (2010)】。干涉儀實驗中自由飛行時間是制約靈敏度和分辨率的重要因素。這就要求MOT腔中背景壓強不能太高；太低會降低MOT初始裝載率，增長了實驗周期。
為滿足這一需求，人們設(shè)計了塞曼減速器【J. Opt. Soc. Am. 1993. B10: 2257】，雙磁光阱等【Phys.Rev.A. 77, 065402】等技術(shù)，并發(fā)展了二維磁光阱【Phys.Rev.A.58, 3891, Phys.Rev.A.66, 23410】技術(shù)。在這些系統(tǒng)中，初始位置裝載原子束的背景一般接近飽和蒸汽壓（～10-5帕），這樣就為原子的裝載提供了足夠的背景蒸汽壓，另一方面，通過真空差分管道，與磁光阱腔相連，使兩邊保持較高的真空差，并使原子束流通過管道高效運輸?shù)礁哒婵沾殴廒迩唬瑥亩鴮崿F(xiàn)大數(shù)量、長壽命的原子團。2010年澳大利亞國立大學組利用二維磁光阱經(jīng)過10秒左右可裝載2×109個原子【Rev, Sci, Instrum, 81, 063103】、斯坦福大學的M. Kasevich 組利用二維磁光阱裝載3DMOT，包含4×109個銣原子【T. Kovachy, New Techniques for precision atom Interferometry and applications to fundamental tests of gravity and of Quantum mechanics, PhD thesis, Standord University, 2016.】、1998年韓殿君使用塞曼減速器用15秒裝載空間域上的暗磁光阱，其中原子數(shù)目5×109個,獲得了170秒的衰減壽命【PhysRevA 57,R4114】、2010年G.Tino的二維磁光阱裝載率可達到~1010 atoms/s，最終裝載3DMOT包含4-6×109個原子【New J.Phys.12, 095009】,在當前這些方案中，二維磁光阱是最常用的冷原子束源實現(xiàn)方案之一。
雖然二維磁光阱目前已經(jīng)較為成熟，但仍然存在一定缺陷：一方面，為了獲得更大的原子束流，往往采用提高背景蒸汽壓來提高裝載效率和數(shù)量，但飽和蒸汽通過差分孔擴散將增加雜散背景原子【Rev, Sci, Instrum, 81（2010） 063103】，使另一級腔室的真空度變差，同時，由于二維磁光阱的出口直接對準磁光阱中心位置，高的背景蒸汽壓將有相當數(shù)量高速原子直接與磁光阱中的原子發(fā)生碰撞，可直接將3DMOT中原子撞出陷縛區(qū)域【J.Opt.Soc.Am.9（1992）2142】；另一方面，為了盡可能提高另一級受到的真空度，我們往往采用大倍率的差分管道來連接兩級真空，據(jù)目前技術(shù)水平【Rev, Sci, Instrum, 81,（2010）063103】單級真空差分可到104。然而，實現(xiàn)這種技術(shù)意味著使用更細更長的差分管道，這又將加劇冷原子束在管道傳輸過程中的損失，其損失后的原子進一步擴散也將影響更高一級真空腔的真空度。
綜上所述，當前二維磁光阱的主要技術(shù)參數(shù)之間存在著制約關(guān)系：一方面，提高背景蒸汽壓將提高原子裝載效率，但這將降低更高級真空腔真空度并帶來更大的熱原子束，導致碰撞率增加；另一方面，增加真空管狀差分的倍數(shù)，將提高更高級真空腔真空度，但將削弱原子束流強度。
通過【PhysRevA.58,3891,PRA66,23410】我們可以得知：
原子束中速度過快的原子將不能被3DMOT俘獲，且會與3DMOT中的原子發(fā)生碰撞，造成背景原子數(shù)損失。所以需要將速度過快的原子濾去，常用方法有二維磁光阱加上push+retral光【PhysRevA.58,3891】，軸向也冷卻原子，可將原子的速度分布壓制在很小的范圍。
若原子通過彎曲的連接管道，用光的作用改變原子軌跡使速度小的原子被回收并做橫向冷卻，其中不滿足偏轉(zhuǎn)條件的原子受到冷卻光和磁場的作用不足以明顯改變軌跡，所以可以認為被剔除。中間腔的壓強因為與第一個2DMOT之間的差分，其真空度較飽和蒸汽壓低，但仍維持高束流。同時與我們構(gòu)型相似的有【Phys.Rev.Lett.64（1990）1658】【Appl.Phys.B 70:665(2000)】等，有一中間真空腔是由原子束裝載，并可用光學移動黏膠從中耦合出冷原子束。
由此可見，前述的現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺陷：關(guān)斷原子束后，滿足特定條件（位于軸線附近的速度沿軸向）的背景熱擴散原子仍然會進入高真空腔，并且會與原子云直接相互作用和增加3DMOT區(qū)背景原子，與原子云間接相互作用，縮短壽命。所以實驗上需要增加一種能夠比較徹底關(guān)斷原子束的結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有二維磁光阱原子源技術(shù)在主要技術(shù)參數(shù)上彼此制約導致的缺點和不足，提供一種基于雙級二維磁光阱的大束流冷原子源。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
本冷原子源包括第1級二維磁光阱、第2級二維磁光阱和波紋管；
第1級二維磁光阱、波紋管、第2級二維磁光阱和三維磁光阱依次連接；
第1中心軸線和第2中心軸線的夾角θ為0～30o。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：
①通過兩級二維磁光阱結(jié)構(gòu)，可以極大降低對單個連接管道高倍率差分的要求；一方面，兩級差分管道的組合差分效果將比單個更為理想，既提高一級腔的背景蒸汽壓，使原子裝載效率和數(shù)量提高，又提高主真空腔真空度，提高原子團壽命；另一方面，這將大大減少原子束與差分管道碰撞帶來的數(shù)量損失及其帶來的氣體擴散影響。
②通過兩級磁光阱軸線之間存在的小偏角，使從第一級二維磁光阱差分口出射的背景原子束不能直接通過第二級二維磁光阱差分口，從而使磁光阱原子團避免了背景熱原子束的碰撞，在激光關(guān)閉的狀態(tài)下，保持最小的背景碰撞率。
③通過第二級二維磁光阱的冷卻激光組作用，使前一級二維磁光阱冷卻的冷原子方向得以偏轉(zhuǎn)，并從第二級二維磁光阱差分口中射出，而速度更快的背景熱原子由于偏轉(zhuǎn)位移較小，而被真空壁阻擋，無法進入第二級二維磁光阱差分口，而這部分原子由于速度太快，也不能被三維磁光阱捕獲，只能產(chǎn)生碰撞損失等負面效應。
總之，本發(fā)明能使MOT在裝載效率最高的情況下，既增加原子數(shù)目，又提高原子云的壽命，這個特性尤其是在MOT以后的冷卻過程中作用明顯；將為基于冷原子精密測量技術(shù)提供優(yōu)異的原子源。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中：
A—推載光，B—原子軌跡；
10—第1級二維磁光阱，
11—第1級真空腔，
111—第1差分孔，112—第1中心軸線，
12—第1冷卻激光組，
13—第1反亥姆霍茲線圈組，
14—銣源；
20—第2級二維磁光阱，
21—第2級真空腔，
211—第2差分孔，212—第2中心軸線，
22—第2冷卻激光組，
23—第2反亥姆霍茲線圈組，
24—離子泵；
30—波紋管；
40—三維磁光阱。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對冷原子源詳細說明：
一、總體
如圖1，本冷原子源包括第1級二維磁光阱10、第2級二維磁光阱20和波紋管30；
第1級二維磁光阱10、波紋管30、第2級二維磁光阱20和三維磁光阱40依次連接；
第1中心軸線112和第2中心軸線212的夾角θ為0～30o。
二、功能部件
1、第1級二維磁光阱10
第1級二維磁光阱10包括第1級真空腔11、第1冷卻激光組12、第1反亥姆霍茲線圈組13和銣源14；
在第1級真空腔11的上下前后各面均分別設(shè)置有第1反亥姆霍茲線圈組13和第1冷卻激光組12，在第1級真空腔11的右端口連接有銣源14。
（1）第1級真空腔11
第1級真空腔11是一種不銹鋼制的長方體腔，其上下前后各面均分別設(shè)置有長方形窗口，每個窗口銦封一片矩形玻璃窗片，腔體左右兩面均分別設(shè)置有真空CF法蘭刀口，腔內(nèi)充滿原子飽和蒸氣；
（2）第1冷卻激光組12
第1冷卻激光組12包括2組對稱的擴束鏡和反射鏡，分別設(shè)置于第1級真空腔11上下前后的長方形窗口的外側(cè)，每個擴束鏡的輸出包括冷卻光和回泵光，反射鏡的上、下表面分別鍍有四分之一波片膜和增反膜。
（3）第1反亥姆霍茲線圈組13
第1反亥姆霍茲線圈組13包括4個矩形線圈，分別固定在于第1級真空腔11上下前后的長方形窗口的外壁。
（4）銣源14
銣源14作為工作物質(zhì)源，是用來產(chǎn)生銣原子的標準化通用器件，本身的真空CF法蘭接口與第1級真空腔11連接。
2、第2級二維磁光阱20
第2級二維磁光阱20包括第2級真空腔21、第2冷卻激光組22、第2反亥姆霍茲線圈組23和離子泵24；
在第2級真空腔21的上下前后各面均分別設(shè)置有第2反亥姆霍茲線圈組23和第2冷卻激光組22，在第2級真空腔21的右上方端口連接有離子泵24。
（1）第2級真空腔21
第2級真空腔21是一種不銹鋼制的長方體空腔，其上下前后各面均分別設(shè)置有長方形窗口，其左右兩面均分別設(shè)置有真空CF法蘭刀口，其右上方設(shè)置有真空CF法蘭刀口用于連接離子泵24；
（2）第2冷卻激光組22和第2反亥姆霍茲線圈組23其結(jié)構(gòu)分別與上述的第1冷卻激光組12和第1反亥姆霍茲線圈組13一樣。
（3）離子泵24
離子泵24是一種用來維持高真空的的標準化通用產(chǎn)品。
通過第2級真空腔21上面的真空CF法蘭接口與之連接。
三、工作機理
試驗時，在本冷原子源整個結(jié)構(gòu)的左側(cè)還要連接三維磁光阱腔40。
使用組合前級泵將第1、2級真空腔11、21內(nèi)的壓強到達預定值，并且使第1、2差分孔111、211和離子泵24保持第1、2級真空腔11、21和三維磁光阱40的真空壓強梯度（真空壓強遞減）。
加大電流以激活銣源14，使第1級真空腔11內(nèi)部充滿銣飽和蒸氣壓，其壓強值可通過改變銣源14的電流大小來調(diào)節(jié)。
第1反亥姆霍茲線圈組13和第2組反亥姆霍茲線圈組23接通電流產(chǎn)生與腔體表面垂直的梯度磁場，磁場梯度的數(shù)值可以通過改變通過線圈組的電流來調(diào)節(jié)。
第1冷卻激光組12和第2冷卻激光組22中的冷卻光和回泵光打開后與其反射光、推載光A和矩形線圈組提供的梯度磁場共同作用于原子，原子匯聚到第1中心軸線112成為沿軸線112其飛行的冷原子束，通過第1差分孔111和波紋管30進入第2級真空腔21；第2級真空腔21的冷卻光、回泵光、磁場結(jié)構(gòu)與第1級二維磁光阱10相同，可將促使被抓捕的原子沿第2中心軸線212飛行。
由于兩個腔體的中心軸線存在一個可調(diào)夾角θ，使得第1級真空腔11、第2級真空腔21、波紋管30構(gòu)成一個原子速度的低通濾波器；當夾角一定時，橫向速度大于抓捕速度的原子，則第2級二維磁光阱20將不能捕獲該原子；因為第一級二維磁光阱10出射的原子束中原子速度分布較寬，因此調(diào)節(jié)夾角θ大小可以調(diào)節(jié)最終從第2級二維磁光阱21的第2差分孔211出射的低速原子與原子總數(shù)的比例。
綜上所述，本發(fā)明能使三維磁光阱在裝載效率最高的情況下，既增加原子數(shù)目，又提高原子云的壽命，解決目前單級二維磁光阱在裝載效率與真空差分這個問題上的矛盾，并將熱原子束的碰撞效應減小到最少；將為基于冷原子精密測量技術(shù)，特別是以超冷原子團為載體的精密測量研究提供優(yōu)異的原子源。