一种直接获得单个原子成像的探测方法

摘要

本发明涉及低背景单个原子成像的获得方法，具体为一种直接获得单个原子成像的探测方法。本发明解决了单原子成像时因背景信号强导致探测难的问题。一种直接获得单个原子成像的探测方法，包括如下步骤：取由石英制成的方体玻璃真空气室；构建磁光阱系统的光场部分和磁场部分；构建远红失谐的微光学偶极阱；激发光与相互正交的三束光中的一束重合后用透镜组收集铯原子辐射出的荧光经偏振分束棱镜反射到干涉滤波片后射入多模光纤；非球面镜收集铯原子的荧光后经45度全反镜射入电荷耦合器件摄像机内，调节电荷耦合器件摄像机的成像区域获得单个原子的成像。本发明所述的方法可直接获得单原子成像，可广泛适用于单原子操控与测量及量子信息方面。

主权项

1.一种直接获得单个原子成像的探测方法，其特征在于：包括如下步骤：（一）、取由石英制成的长方体或正方体玻璃真空气室（1），在玻璃真空气室（1）的外表面上镀一层与被测原子波长相同的减反射膜；玻璃真空气室（1）与真空泵相连从而将玻璃真空气室（1）维持在真空压强低于Pa的环境中；将通有电流的铯释放剂（2）作为原子源放入玻璃真空气室（1）中；（二）、构建磁光阱系统的光场部分和磁场部分：光场部分包括冷却光激光器（3）、再泵浦光激光器（4），用饱和吸收光谱技术将冷却光激光器（3）的频率锁定在铯原子D2线的负失谐5-15MHz处、再泵浦光激光器（4）的频率锁定在铯原子D2线的共振跃迁线上；将冷却光激光器（3）、再泵浦光激光器（4）发出的激光用光束耦合器件（5）耦合，出射光用望远镜（6）将光束的直径扩大至2-5mm后经分光棱镜（21）按功率等分为三束，三束光均经第一四分之一波片（7）转换为圆偏振光后入射到玻璃真空气室（1）中并使三束光相互正交；三束光从玻璃真空气室（1）中射出后均经第二四分之一波片（8）、零度全反镜（9）原路返回，从而形成磁光阱系统的光场部分；磁场部分包括四极磁场、位于玻璃真空气室（1）外的补偿磁场，四极磁场由磁场梯度为5Gauss/cm-20Gauss/cm的一对反亥姆霍兹线圈产生而补偿磁场由磁场强度小于1Gauss的三对亥姆霍兹线圈产生；四极磁场的位置应当保证磁场强度为零的点位于玻璃真空气室中且与相互正交的三束光的交点重合，重合点处形成原子俘获区域；将铯释放剂（2）通电流释放铯原子，磁光阱系统的原子俘获区域俘获数量为的铯原子；（三）、构建远红失谐的微光学偶极阱：将瓦级、单频连续波长为1064nm的激光器（10）发出的激光射入声光调制器（11）中，声光调制器（11）发出的一级衍射光射入波长为1064nm的单模保偏光纤（12）后经偏振分束棱镜（13）入射到数值孔径为0.29且物距为36mm的透镜组（14）中，调节偏振分束棱镜（13）、单模保偏光纤（12）的位置使透过透镜组（14）后的出射光聚焦且腰斑尺寸小于2um，从而形成微光学偶极阱；（四）、将透镜组（14）、偏振分束棱镜（13）、以及单模保偏光纤（12）固定于三维平移台上，调节三维平移台的三个独立自由度使微光学偶极阱的腰斑与磁光阱系统的原子俘获区域完全重合，在碰撞阻挡效应下将磁光阱系统的原子俘获区域中的一个原子装载到微光学偶极阱中；（五）、将一束波长为894nm且光强稳定在20uW以下的激发光与相互正交的三束光中的一束重合使得该激发光与铯原子D1线的共振跃迁线共振，用透镜组（14）收集铯原子辐射出的荧光经偏振分束棱镜（13）反射到透射率为十万分之一且带宽小于2nm的干涉滤波片（15）上，调整后入射到射波长为894nm且芯径为100um的多模光纤（16）中；其中：透镜组（14）收集铯原子荧光的收集范围占整个4π立体空间的2.1%； （六）、将单光子探测器（17）与多模光纤（16）相连进行铯原子中荧光信号的探测，用计数器与单光子探测器（17）相连进行计数统计得到单个原子的荧光信号图，根据荧光信号图统计分析得到单个原子在微光学偶极阱中的平均停留时间、单个原子荧光光子计数率的统计分布图；（七）、在玻璃真空气室（1）中内放置非球面镜（18）、45度全反镜（19），玻璃真空气室（1）的顶部设有与45度全反镜（19）位于同一竖直线上的电荷耦合器件摄像机（20）；非球面镜（18）收集铯原子的荧光后经45度全反镜（19）射入电荷耦合器件摄像机（20）内，调节电荷耦合器件摄像机（20）的成像区域使微光学偶极阱的中心落在电荷耦合器件摄像机（20）成像区域的中心位置，即可获得单个原子的成像。