專利名稱：原子束干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于一種原子束干涉儀。
近年來，原子光學(xué)已成為一門新的學(xué)科，原子的反射、聚焦、成像、衍射、干涉已經(jīng)在許多實(shí)驗(yàn)中獲得成功。特別是原子束干涉儀的研究，獲得了人們普遍的關(guān)注。按照德布羅意(De Broglie)原理，原子的波長(zhǎng)取決于它的速度，與質(zhì)量成反比。原子質(zhì)量比電子和中子大得多，因此原子的德布羅意波長(zhǎng)比中子和電子要小得多，這將大大提高測(cè)試精度。
眾所周知，電子和中子干涉儀早已實(shí)現(xiàn)。而原子由于不帶電荷，不受電磁場(chǎng)控制；又不能象中子那樣穿透固體，不能采用晶格衍射的方法分束實(shí)現(xiàn)干涉，因而，原子束干涉儀的發(fā)展始終落后于電子束和中子束干涉儀。
令人欣慰的是，近年來原子冷卻減速技術(shù)以及原子衍射柵制造技術(shù)的發(fā)展，為研制原子束干涉儀提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1991年美國麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組(參見在先技術(shù)D.W.Keith,C.R.Ekstrom.Q.A.Turchette and D.E.Pritchard,Phys.Rev.Lett.,1991,66:2693)，用三塊透射柵板首次建成了Na原子干涉儀。如圖1所示，原子束源1發(fā)射的物質(zhì)波經(jīng)第一柵板2后，其零級(jí)波P0和一級(jí)衍射波P1被分開，再經(jīng)第二柵板3衍射后，零級(jí)波P0的一級(jí)衍射波P2，和一級(jí)波P1的負(fù)一級(jí)衍射波P3在第三塊衍射柵板4處相遇(類似于早期中子干涉儀結(jié)構(gòu))，形成干涉條紋，第三塊柵板4的作用是作為干涉條紋的取樣器。如圖1所示。然而，該干涉儀經(jīng)兩次衍射以后效率很低，又結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，一般實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)。
另外一些原子束干涉儀如受激拉曼躍遷原子束干涉儀(參見在先技術(shù)M.Kasevich and S.Chu.Appl.Phys.,1992,B54:321)，拉姆塞(Ramsey)條紋干涉儀(參見在先技術(shù)Ch.J.Brode.Phys.Lett.,1989,140:10)，還處于原理驗(yàn)證階段。
本發(fā)明的目的是為克服上述在先技術(shù)中所存在的不足，提供一種按照物質(zhì)波衍射原理，采用一塊波帶片實(shí)現(xiàn)原子束的分束和重疊，產(chǎn)生干涉的原子束干涉儀。其不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且將提高干涉效率。
本發(fā)明的原子束干涉儀，包括在外殼8內(nèi)的真空腔9里，置有原子束源1，有接收面對(duì)著原子束源1發(fā)射原子束前進(jìn)方向的接收器7。在原子束源1與接收器7之間置有波帶片5，在波帶片5的一級(jí)衍射的焦點(diǎn)O處置有針孔光闌6，在焦點(diǎn)O垂直于X射線束前進(jìn)方向上的平面上，針孔光闌6的旁邊置放待測(cè)物品10。接收器7的輸出連接到計(jì)算機(jī)11上。如圖2所示。
所說的波帶片5對(duì)原子束具有聚焦和成像作用。(這已被實(shí)踐證明)波帶片上的波帶環(huán)為金結(jié)構(gòu)的。金結(jié)構(gòu)的波帶環(huán)阻隔原子束通過，使原子束僅從兩金結(jié)構(gòu)波帶環(huán)之間的空帶環(huán)通過。為此，波帶環(huán)金結(jié)構(gòu)的厚度等于或大于0.5μm。
所說的針孔光闌6上的針孔孔徑小于或等于0.2mm，其針孔光闌6的作用是濾去原子束經(jīng)過波帶片5后的其它衍射波，使通過針孔光闌6針孔的僅為一級(jí)衍射波。
本發(fā)明干涉儀如上述的結(jié)構(gòu)包括原子束源1、波帶片5、置于波帶片5焦點(diǎn)處的針孔光闌6、接收器7、外殼8、真空腔9、待測(cè)物品10放在光闌6旁邊的焦平面上。如圖2所示。
原子束源1發(fā)射的近平行原子束照明一波帶片5，在波帶片5一級(jí)衍射焦點(diǎn)O處放置一小尺寸(直徑為0.1毫米)的針孔光闌6，從針孔光闌6透射出的原子束作為參考束Gc，而從波帶片5透射過來的平行束(零級(jí)波P0)作為物束Gw，將待測(cè)物品10置于物束Gw與針孔光闌6在同一水平面的位置上，在兩原子束Gc與Gw相遇處，可獲得干涉條紋。干涉條紋間距取決于參考束Gc與物束Gw間的夾角以及原子的德布羅意波長(zhǎng)。干涉信息被接收器7接收并轉(zhuǎn)送到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)再對(duì)其干涉全息圖進(jìn)行重構(gòu)再現(xiàn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的干涉儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干涉效率高，靈敏度比光學(xué)干涉儀要高7個(gè)數(shù)量級(jí)。能測(cè)量出任何一種可引起干涉位相變化的作用量，如電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等。借此可以用來測(cè)量原子的凈電荷，玻色子的轉(zhuǎn)動(dòng)相移，伯瑞(Berry)位相特性(原子在空間變化的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))；還可以進(jìn)行廣義相對(duì)論的研究，測(cè)量地球的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，測(cè)重力加速度的絕對(duì)值，在導(dǎo)航、測(cè)繪、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面都有極大的應(yīng)用價(jià)值。


圖1為在先技術(shù)Na原子束干涉儀示意圖。
圖2為本發(fā)明原子束干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為實(shí)施例中所用的原子束干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例本發(fā)明的原子束干涉儀如圖2、圖3所示，包括原子束源1、波帶片5、針孔光闌6、接收器7。其中原子束源1是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)1S3Ne*原子源，本實(shí)施例中亞穩(wěn)態(tài)Ne*1S3的獲得是用激光激發(fā)，如圖3所示。外殼8內(nèi)的真空腔9是采用3個(gè)機(jī)械泵和3個(gè)擴(kuò)散泵，可使真空腔9里的真空達(dá)到5×10-6τ，此時(shí)的原子自由程達(dá)到10米以上。
原子束源1中含有的磁光陷阱是由激光場(chǎng)和磁場(chǎng)組成的，能對(duì)原子進(jìn)行冷卻和捕獲，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以多年來被廣泛用作冷原子束實(shí)驗(yàn)的基本工具。
磁光陷阱即是用園偏振的光產(chǎn)生光學(xué)粘膠，把光的頻率調(diào)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(duì)著運(yùn)動(dòng)原子入射的光移近共振，而使背離它的光遠(yuǎn)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(gè)相互垂直的駐波場(chǎng)，這樣，原子在任何地方都可以受到一個(gè)粘滯阻尼力F，阻制其運(yùn)動(dòng)，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(xué)粘膠。
如果僅用光學(xué)粘膠的方法，來冷卻和囚禁原子時(shí)，常使原子失諧，用一個(gè)球型四極矩磁場(chǎng)時(shí)，當(dāng)原子遠(yuǎn)離原點(diǎn)時(shí)，塞曼頻移使其趨于共振，光束就把原子向原點(diǎn)推回。典型的磁光陷阱，囚禁原子數(shù)目可達(dá)1010，溫度在10～100μk范圍內(nèi)，密度可達(dá)1012/cm2，這些足以保證干涉場(chǎng)的產(chǎn)生。
上述激光系統(tǒng)為由氬離子激光器101，染料激光器102,45°全反鏡103,1/4波片104，衰減片105，密封窗口106,90°全反鏡109組成。該激光系統(tǒng)是用來冷卻和減慢原子束的速度。
波帶片5的直徑為210μm，波帶片5的第一個(gè)波帶環(huán)的半徑r1=9.38μm，波帶片5的總環(huán)數(shù)2nmax=128，波帶環(huán)金結(jié)構(gòu)的厚度為0.5μm，其目的在于使原子束不能通過金結(jié)構(gòu)波帶環(huán)形成原子束波擋住的區(qū)域，而使原子束僅能從金結(jié)構(gòu)波帶環(huán)之間的空帶環(huán)區(qū)域通過。利用波帶片5對(duì)原子束的衍射特性，把原子束分束，并進(jìn)行重疊就可以獲得干涉條紋。
接收器7采用微通道板和CCD，接收器7接收的干涉信息輸入到計(jì)算機(jī)11中去進(jìn)行重構(gòu)。
上面介紹了本發(fā)明原子束干涉儀的結(jié)構(gòu)以后，下面介紹本發(fā)明干涉儀是如何工作的。
亞穩(wěn)態(tài)1s3Ne*原子，經(jīng)噴嘴注入到磁光陷阱中，被若丹明6G染料激光器，640nm激光和磁場(chǎng)冷卻，然后經(jīng)兩個(gè)直徑為0.2mm，相距0.6m的光闌110和111準(zhǔn)直，入射到波帶片5上，在參考束Gc與物束Gw相遇波帶片5一級(jí)衍射焦點(diǎn)O處放置針孔直徑為0.1mm的針孔光闌6，由此針孔光闌6出射的原子束作為參考束Gc，由波帶片5出射的平行的零級(jí)波P0照明待測(cè)物品10作為物束Gw，在形成原子束干涉區(qū)域，放置一接收器7(微通道板連接CCD)。接收器7接收到的干涉信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)11上，對(duì)原子束干涉全息圖進(jìn)行重構(gòu)。
權(quán)利要求
1．一種原子束干涉儀，包括在外殼(8)內(nèi)的真空腔(9)里，置有原子束源(1)、有接收面對(duì)著原子束源(1)發(fā)射原子束前進(jìn)方向的接收器(7)，接收器(7)的輸出連接到計(jì)算機(jī)(11)上，其特征在于在原子束源(1)與接收器(7)之間置有波帶環(huán)為金結(jié)構(gòu)的具有聚焦和成像作用的波帶片(5)，在波帶片(5)的一級(jí)衍射的焦點(diǎn)(O)處置有針孔光闌(6)，在焦點(diǎn)(O)垂直于X射線束前進(jìn)方向上的平面上，針孔光闌(6)的旁邊置放待測(cè)物品(10)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子束干涉儀，其特征在于所說的波帶片(5)上的金結(jié)構(gòu)的波帶環(huán)的厚度等于或大于0.5μm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子束干涉儀，其特征在于所說的針孔光闌(6)上的針孔孔徑小于或等于0.2mm。
全文摘要
一種原子束干涉儀，包括在外殼內(nèi)的真空腔里，置有原子束源，有接收面對(duì)著原子束前進(jìn)方向的接收器。在原子束源與接收器之間置有波帶片，在波帶片一級(jí)衍射的焦點(diǎn)處有針孔光闌，在焦點(diǎn)垂直于X射線束前進(jìn)方向上的平面上，針孔光闌的旁邊置放待測(cè)物品。接收器的輸出連接到計(jì)算機(jī)上。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干涉效率高，靈敏度比光學(xué)干涉儀高7個(gè)數(shù)量級(jí)的特點(diǎn)。能夠測(cè)量出任何一種可引起干涉位相變化的作用量。
文檔編號(hào)G01N23/00GK1317689SQ0111305
公開日2001年10月17日 申請(qǐng)日期2001年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月1日
發(fā)明者高鴻奕, 陳建文, 謝紅蘭, 徐至展 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所