制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制備超冷極性分子的技術(shù)，具體為一種制備超冷極性分子的原子空間 可調(diào)節(jié)暗磁光阱方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子信息科學(xué)是近年來(lái)量子光學(xué)、光信息科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的 一門新興前沿科學(xué)。量子信息遵從量子力學(xué)規(guī)律，表現(xiàn)出與經(jīng)典信息科學(xué)完全不同的奇特 性質(zhì)。經(jīng)典信息處理過(guò)程中的最小單位是比特，它的值具有確定性，非〇即1。而量子信息中 對(duì)應(yīng)的最小單位被稱為量子比特，用來(lái)描述最簡(jiǎn)單量子系統(tǒng)中的一個(gè)狀態(tài)，可以處于0和1 的疊加態(tài)。目前人們提出了多種介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息的處理，特別是量子態(tài)的制備，例如光 學(xué)俘獲的冷離子、光學(xué)晶格中的中性原子或極性分子。其中，超冷極性分子由于具有永久的 電偶極矩和獨(dú)特的長(zhǎng)程偶極-偶極相互作用被認(rèn)為是進(jìn)行量子計(jì)算的良好備選介質(zhì)之一。
[0003] 在制備超冷極性分子過(guò)程中，人們通常對(duì)合成極性分子的兩種原子進(jìn)行激光冷 卻，然后采用光締合或者磁締合制備超冷極性分子。為了降低超冷原子團(tuán)間的碰撞同時(shí)增 加原子密度，研究者通常采用暗磁光阱技術(shù)將原子制備到最低超精細(xì)態(tài)?；诎荡殴廒寮?術(shù)制備的超冷分子具有溫度低，密度高等優(yōu)點(diǎn)，再結(jié)合受激拉曼絕熱轉(zhuǎn)移和光學(xué)晶格技術(shù)， 便可以獲得具有實(shí)用價(jià)值的振轉(zhuǎn)能級(jí)可控、空間位置可控的分子量子態(tài)。因此，兩種原子團(tuán) 的空間重合是合成分子的必要前提，也是提高合成分子產(chǎn)率的重要手段。然而，在實(shí)際操作 中，要保證兩種原子團(tuán)的空間絕對(duì)重合是一件非常困難的事情。難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：一，磁光 阱中的原子團(tuán)比較難以重合。為了俘獲兩種原子，需要兩套激光裝置。每套激光裝置中各 包括六束俘獲光和一束再栗浦光。兩種原子共用一個(gè)反亥姆霍茲磁場(chǎng)，要保證所有光束的 中心和磁場(chǎng)的中心重合具有一定的困難。二，暗磁光中的原子團(tuán)更加難以重合。暗磁光講 是在磁光阱的基礎(chǔ)上獲得的。其變化是對(duì)組成磁光阱的再栗浦光的中心加一暗點(diǎn)，使其形 成空心光束，然后在空心光束中加入一束反栗浦光，使冷原子處于最低超精細(xì)態(tài)，進(jìn)而達(dá)到 降低原子碰撞、增加原子密度的目的。由于反栗浦光對(duì)原子很強(qiáng)的散射力，兩種原子團(tuán)的空 間位置將會(huì)發(fā)生更大的偏移。
[0004] 為了使兩種原子團(tuán)很好地重合，人們通常的解決辦法是調(diào)節(jié)六束俘獲光的分光比 和空間位置。這種辦法沒(méi)有固定的步驟可以遵循，操作者全憑經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)過(guò)程費(fèi)時(shí)繁瑣，并 且調(diào)節(jié)后的原子重疊率較小。因此研究一種能夠大大提高原子重疊率且調(diào)試簡(jiǎn)單方便的技 術(shù)勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決目前在制備超冷極性分子過(guò)程中原子團(tuán)難以實(shí)現(xiàn)空間絕對(duì)重合的 技術(shù)問(wèn)題，提供一種制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱方法及裝置。
[0006] 本發(fā)明所述的制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱方法是采用以下技 術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱方法，包括如下步驟： (a)、將一束A原子俘獲光與一束B原子俘獲光匯合成一束，然后分成兩兩對(duì)射的六束激 光，并與反亥姆霍茲磁場(chǎng)組成一個(gè)磁光阱；六束激光匯聚于空間中的內(nèi)充有A、B原子團(tuán)的 原子氣室中；六束激光的匯聚中心與反亥姆霍茲磁場(chǎng)的中心重合；(b)、將A、B原子的再栗 浦光合并成一束，并經(jīng)過(guò)一個(gè)暗點(diǎn)之后形成空心光束；同時(shí)在空心光束中加入一束沿空心 出射的由A、B原子的反栗浦光合并成一束的中心光束；（c)、將上一步得到的混合光束分成 兩束，兩束混合光交匯于原子氣室內(nèi)磁光阱六束光的匯聚中心，形成一個(gè)可調(diào)節(jié)暗磁光阱； (d)、原子氣室旁設(shè)有一個(gè)采集原子團(tuán)所發(fā)射熒光的CCD圖像傳感器，通過(guò)觀察CCD圖像傳 感器采集到的熒光圖像來(lái)調(diào)節(jié)兩束對(duì)射的混合光束的光強(qiáng)比，逐步實(shí)現(xiàn)原子氣室內(nèi)A、B原 子團(tuán)的重合。
[0007] -、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的難點(diǎn)一，本發(fā)明將A、B兩束俘獲激光裝置通過(guò)光學(xué) 器件達(dá)到空間的重合。具體為：通過(guò)二向色鏡使兩種原子的俘獲光完全重合，共同使用寬帶 鍍膜的光學(xué)器件（包括四分之一波片，二分之一波片、偏振分束棱鏡，反射鏡）制備出冷卻 原子需要的圓偏振光（即六束匯聚激光）。
[0008] 二、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的難點(diǎn)二，本發(fā)明將反栗浦光和再栗浦光組成的混合 光束分為兩束，使其在原子位置交匯。通過(guò)調(diào)節(jié)兩束分光的強(qiáng)度，或者說(shuō)調(diào)節(jié)混合光束中反 栗浦光束的強(qiáng)度（同時(shí)再栗浦光的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化），進(jìn)而調(diào)節(jié)對(duì)原子的散射力，從 而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)兩種原子團(tuán)的空間位置的目的。
[0009] 進(jìn)一步的，步驟（c)中兩束混合光采用對(duì)打方式并與原子氣室內(nèi)磁光阱六束光的 匯聚中心交匯。
[0010] 采用對(duì)打方式，可以增強(qiáng)激光對(duì)于原子團(tuán)的作用，更主要的是這種入射方式更有 利于通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)比來(lái)控制原子團(tuán)的重合。
[0011] 進(jìn)一步的，當(dāng)原子氣室內(nèi)A、B原子團(tuán)重合之后，引入一束A、B原子團(tuán)的締合光，締 合光穿過(guò)磁光阱六束光的匯聚中心，將重合的超冷原子團(tuán)締合為分子。
[0012] 進(jìn)一步的，引入一束穿過(guò)磁光阱六束光的匯聚中心的染料激光，用于探測(cè)形成的 分子。
[0013] 本發(fā)明所述的制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置是采用如下技 術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置，包括A原子俘獲 光發(fā)射裝置和B原子俘獲光發(fā)射裝置;A原子俘獲光發(fā)射裝置的出射光路上設(shè)有一個(gè)第一 反射鏡，B原子俘獲光發(fā)射裝置的出射光路上設(shè)有一個(gè)位于第一反射鏡反射光路上的二向 色鏡，所述二向色鏡能夠反射A原子俘獲光并透射B原子俘獲光；二向色鏡的透射光路上設(shè) 有準(zhǔn)直透鏡組；經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組出射的光束由暗磁光阱光路布置單元分成兩兩反向?qū)ι洳R 聚于內(nèi)部充有A、B原子團(tuán)的原子氣室中的六束激光，暗磁光阱光路布置單元還包括反亥姆 霍茲磁場(chǎng)，六束激光的匯聚中心與反亥姆霍茲磁場(chǎng)的中心重合；還包括A、B原子再栗浦光 發(fā)射裝置以及A、B原子反栗浦光發(fā)射裝置；所述A原子再栗浦光發(fā)射裝置的出射光路上設(shè) 有第二反射鏡，B原子再栗浦光發(fā)射裝置的出射光路上設(shè)有位于第二反射鏡反射光路上的 第一偏振分束棱鏡，第二反射鏡的反射光路與第一偏振分束棱鏡的反射光路重合；第一偏 振分束棱鏡的反射光路上順次設(shè)有第一半波片和中心設(shè)有暗點(diǎn)的透射鏡片；A原子反栗浦 光發(fā)射裝置的出射光路上設(shè)有第三反射鏡，B原子反栗浦光發(fā)射裝置的出射光路上設(shè)有位 于第三反射鏡反射光路上的第二偏振分束棱鏡，第二偏振分束棱鏡的透射光路上順次設(shè)有 第二半波片和第三偏振分束棱鏡，第三偏振分束棱鏡的反射光路與中心設(shè)有暗點(diǎn)的透射鏡 片的出射光路相重合，第一、第二、第三偏振分束棱鏡與中心設(shè)有暗點(diǎn)的透射鏡片的位置關(guān) 系要保證A、B原子的再栗浦光合并成一束后形成一個(gè)空心光束，同時(shí)與A、B原子的反栗浦 光合并成一束混合光，并且A、B原子的反栗浦光位于空心光束的中心；第三偏振分束棱鏡 的透射光路上設(shè)有第四反射鏡，第三偏振分束棱鏡的反射光路上設(shè)有第五反射鏡；第四反 射鏡的反射光路與第五反射鏡的反射光路經(jīng)過(guò)相應(yīng)的光學(xué)元件后交匯于六束激光的匯聚 中心；原子氣室旁設(shè)有CCD圖像傳感器。
[0014] 進(jìn)一步的，第四反射鏡的反射光路與第五反射鏡的反射光路經(jīng)過(guò)相應(yīng)的光學(xué)元件 后實(shí)現(xiàn)對(duì)打并與原子氣室內(nèi)磁光阱六束光的匯聚中心交匯。
[0015] 本發(fā)明裝置通過(guò)相應(yīng)的光學(xué)元件將A、B原子的俘獲光合并成一束，進(jìn)而分成六 束，與反亥姆霍茲磁場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)磁光阱，磁光阱光路光路不僅得到了簡(jiǎn)化，更重要的是保證 了磁光阱中原子的重合；在增加暗點(diǎn)和反栗浦光形成的暗磁光阱中，通過(guò)調(diào)節(jié)幾個(gè)波片特 別是第三波片就能夠調(diào)整兩束混合光的強(qiáng)度比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制兩個(gè)原子團(tuán)重合的工作，為 原子團(tuán)的締合創(chuàng)造了十分理想的條件。通過(guò)觀察CCD圖像傳感器采集到的原子團(tuán)圖像，就 能夠知曉如何調(diào)節(jié)混合光束的強(qiáng)度比，以實(shí)現(xiàn)兩原子團(tuán)的重合。有效提高了制備超冷極性 分子的速度和產(chǎn)率。
[0016] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置是為了制備超冷極性分子，因此申請(qǐng) 人比對(duì)了利用原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置和普通暗磁光阱裝置兩種情況下產(chǎn)生的極性 分子的信號(hào)（圖4)。利用本發(fā)明所述的空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置制備的超冷極性分子產(chǎn) 率增強(qiáng)了 70%，其原因就在于原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置可以保證兩種原子團(tuán)的絕對(duì)重 合。相比較于普通暗磁光阱裝置，本裝置只需調(diào)節(jié)兩束混合光束的強(qiáng)度比，調(diào)節(jié)過(guò)程非常簡(jiǎn) 潔方便且有效。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置示意圖。圖中R代表再栗 浦光（repumping laser)，D 代表反栗浦光（depumping laser)，T 代表俘獲光（trapping laser)，PBS代表偏振分束棱鏡（polarizing beam splitter)，HWP代表半波片（half-wave plate)，PA laser 代表光締合激光（photoassociation laser)，Dye laser 代表染料激光。
[0018] I-A原子俘獲光發(fā)射裝置，2-B原子俘獲光發(fā)射裝置，3-第一反射鏡，4-二向色鏡， 5-A原子再栗浦光發(fā)射裝置，6-第二反射鏡，7-B原子再栗浦光發(fā)射裝置，8-第一偏振分束 棱鏡，9-第一半波片，10-中心設(shè)有暗點(diǎn)的透射鏡片，Il-A原子反栗浦光發(fā)射裝置，12-第三 反射鏡，13-B原子反栗浦光發(fā)射裝置，14-第二偏振分束棱鏡，15-第二半波片，16-第三偏 振分束棱鏡，17-第四反射鏡，18-第五反射鏡，19-原子氣室，20-CXD圖像傳感器，21-光電 探測(cè)器。
[0019] 圖2為CCD圖像傳感器采集到的銣原子團(tuán)在銫原子團(tuán)裝載過(guò)程中空間位置的圖 像。
[0020] 圖3對(duì)應(yīng)于圖2中銣原子團(tuán)在銫原子團(tuán)裝載過(guò)程中熒光變化情況（裝載曲線）。 光電探測(cè)器記錄原子熒光強(qiáng)度。
[0021] 圖4利用原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱裝置和普通暗磁光阱裝置兩種情況下產(chǎn)生的 極性分子的信號(hào)。圖（a)是普通暗磁光阱裝置對(duì)應(yīng)的信號(hào)。圖（b)是利用了原子空間可調(diào) 節(jié)暗磁光阱裝置制備的超冷極性分子的飛行時(shí)間質(zhì)譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] -種制備超冷極性分子的原子空間可調(diào)節(jié)暗磁光阱方法，包括如下步驟：（a)、將 一束A原子俘獲光與一束B原子俘獲光匯合成一束，然后分成兩兩對(duì)射的六束激光（圖1中 六束交匯的箭頭），并與反亥姆霍茲磁場(chǎng)組成一個(gè)磁光阱