原子束准直方法、原子束准直器、原子干涉仪、原子陀螺仪

摘要

本发明提供原子束准直方法、原子束准直器、原子干涉仪、原子陀螺仪。对原子束照射第一激光(701a)、第二激光(701b)、第三激光(701c)。第一激光与第三激光具有与基态和第一激发态之间的跃迁对应的波长。第二激光具有与基态和第二激发态之间的跃迁对应的波长。首先，由第一激光使在与原子束的行进方向正交的方向上具有比期望的速度小的速度分量的原子从基态跃迁至第一激发态。接着，由第二激光向处于基态的原子赋予动量。被赋予了动量的原子改变行进方向，从原子束中除去。最后，由第三激光使在正交方向上具有比期望的速度小的速度分量的原子从第一激发态返回基态。

说明书

技术领域

本发明涉及原子束准直(collimation)技术。

背景技术

近年来，准直的原子束已经被应用在原子束光刻以及原子干涉仪等中。作为对原子束进行准直的技术，例如已知利用在原子束的行进方向上隔着间隔的多个狭缝对从原子束源射出的原子束进行准直的技术、或利用二维磁光阱(two-dimensional magneto-optical trap：2D-MOT)机构对从原子束射出的原子进行准直的技术。关于前者的技术，例如参照非专利文献1的图2所示的结构。关于后者的技术，例如参照非专利文献2。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：St.Bernet，R.Abfalterer，C.Keller，M.Oberthaler，J.Schmiedmayer and A.Zeilinger，“Matter waves in time-modulated complex lightpotentials(时间调制的复杂光势中的物质波)”，Phys.Rev.A 62，023606(2000)。

非专利文献2：J.Schoser，A.Batar，R.Low，V.Schweikhard，A.Grabowski，Yu.B.Ovchinnikov and T.Pfau，“Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap(来自纯二维磁光阱的冷铷原子的强大来源)”，PHYSICAL REVIEW A，66，023410 2002。

发明内容

发明所要解决的技术问题

利用狭缝的原子束准直技术能够根据狭缝的配置实现良好的准直。但是，利用狭缝的原子束准直技术因狭缝而较大地限制原子束的行进，所以使原子通量降低。此外，利用狭缝的原子束准直技术因为原子束的行进方向上狭缝的间隔较长，所以不适合小型化。

利用2D-MOT机构的原子束准直技术因为未限制原子束的行进，所以能够实现良好的原子通量。此外，利用2D-MOT机构的原子束准直技术与利用狭缝的原子束准直技术相比，能够以较小的尺寸，特别是原子束的行进方向上较小的尺寸来实施。但是，利用2D-MOT机构的原子束准直技术因冷却跃迁的自然宽度而在冷却温度上存在极限，所以难以实现良好的准直。

本发明的目的在于提供一种原子束准直技术，与利用狭缝的原子束准直技术相比，能够以较小的尺寸，特别是原子束的行进方向上较小的尺寸来实施，且能够减少原子通量的降低，并且也能够实现良好的准直。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的原子束准直方法具有：第一步骤，其通过对原子束照射具有与基态和第一激发态之间的跃迁对应的波长的第一激光，选择性地使原子束中在与原子束的行进方向正交的方向上具有比期望速度小的速度分量的的原子从基态跃迁至第一激发态；第二步骤，其在第一步骤之后，对原子束照射具有与基态和第二激发态之间的跃迁对应的波长的第二激光，由此而向原子束中处于基态的原子赋予反冲动量，其结果是，改变原子束中处于基态的原子的行进方向；第三步骤，其在第二步骤之后，对原子束照射具有与基态和第一激发态之间的跃迁对应的波长的第三激光，由此而使原子束中处于第一激发态的原子从第一激发态跃迁至基态。

本发明的原子束准直器包括对原子束照射第一、第二、第三激光的照射部。原子束按照第一激光、第二激光、第三激光的顺序被照射。第一激光是具有与基态和第一激发态之间的跃迁对应的波长的激光。第二激光是具有与基态和第二激发态之间的跃迁对应的波长的激光。第三激光是具有与基态和第一激发态之间的跃迁对应的波长的激光。

发明的效果

根据本发明，与利用狭缝的原子束准直技术相比，能够以较小的尺寸，特别是原子束的行进方向上较小尺寸进行实施，且能够减少原子通量的降低，并且也能够实现良好的准直。

附图说明

图1是用于说明原子束准直的图。

图2是用于说明原子束准直器的结构主要部件的尺寸的图。

图3是用于说明基态、第一激发态、以及第二激发态的关系的图。

图4是用于说明利用原子束准直器的马赫-曾德尔式原子干涉仪的图。

图5是原子束准直的处理流程图。

具体实施方式

参照附图，说明本发明的实施方式。需要说明的是，附图用于实施方式的理解，图示的各结构主要部件的尺寸与实际的尺寸不同。

在例示的实施方式中，原子束准直器700对来自收纳于真空容器200内的原子束源100的热原子束110进行准直。

原子束源100连续生成热原子束。热原子束的速度例如为100m/s左右。对原子束源100的一个例子进行说明。原子束源100例如具有包括主体部100a、以及与主体部100a连通的喷嘴100b的结构。在主体部100a中，通过对由纯度较高的单一元素形成的固体进行加热而得到气体原子。在主体部100a中得到的气体原子作为热原子束110，从加热的喷嘴100b向原子束源100的外部射出。作为上述原子束源100的结构的一个例子，参照参考文献1的图1。

(参考文献1)Cvejanovic D and Murray A J，“Design and characterizationof an atomic beam oven for combined laser and electron impact experiments(用于激光与电子碰撞实验的原子束炉的设计和特征)”，Meas.Sci.Tech.131482-1487(2002).

热原子束110的行进方向是连接热原子束110所包含的原子密度分布的峰值而得到的线的延伸方向，通常，与喷嘴100b的射出方向、即喷嘴100b的中心轴所延伸的方向一致。因为由位于喷嘴100b前端的排出孔缩窄的气体原子的流动不是平行流而是克努森流、也就是由微小立体角喷出的喷出流，所以热原子束110包含具有与热原子束的行进方向正交的方向上的速度分量的原子。下面，将“与热原子束的行进方向正交的方向”只称呼为“正交方向”。

只要能够从热原子束110中除去在正交方向具有足够小的速度分量的原子以外的原子，能够实现热原子束110的良好准直。基于该概念的实施方式的概要如下所述。首先，使在正交方向具有足够小的速度分量的原子从基态跃迁至第一激发态。这对于原子来说可以说是向安全地带的疏散。接着，在处于第一激发态的原子通过自发发射而降至基态之前，向处于基态的原子、即在正交方向具有足够小的速度分量的原子以外的原子赋予动量。赋予了动量后的原子的行进方向被改变，赋予了动量后的原子大多被从热原子束110中除去。最后，通过受激发射，使在正交方向上具有足够小的速度分量的原子从第一激发态返回基态。这对于原子来说可以说是解除疏散。其结果是，在热原子束110中只剩余在正交方向上具有足够小的速度分量的原子。在上述实施方式中，使用沿原子束的行进方向并排的三个激光。激光优选为高斯光束。三个激光沿着原子束的行进方向的配置可以具有比在利用狭缝的原子束准直技术中原子束的行进方向上的狭缝的间隔更短的全长。另外，因为未限制在正交方向上具有足够小的速度分量的原子的行进，所以与利用狭缝的原子束准直技术相比，能够减少原子通量的降低。下面，说明该实施方式的详细情况。

热原子束110进入原子束准直器700(参照图1)。原子束准直器700包括照射部710，该照射部710对热原子束110从正交方向照射第一激光701a、第二激光701b、以及第三激光701c。热原子束110沿着热原子束的行进方向，按照第一激光701a、第二激光701b、第三激光701c的顺序独立地被照射。

第一激光701a具有与热原子束110中原子的基态和其第一激发态之间的跃迁对应的波长λ

[数式1]

Δv＝Γ/k

第二激光701b具有与热原子束110中原子的基态和其第二激发态之间的跃迁对应的波长λ

在此，针对优选满足第一激发态与第二激发态的条件进行说明。

当在后面叙述的第三步骤的处理结束前处于第一激发态的原子由于自发发射而落至基态时，存在如下的问题，即，该原子由于自发发射而获得随机的反冲动量，此外通过第二激光701b而获得反冲动量，或者通过第三激光701c而再次跃迁至第一激发态等。因此，第一激发态的寿命τ

[数式2]

另外，当在第一步骤的处理中未跃迁至第一激发态的原子在第二步骤处理中获得的反冲动量较小时，该原子的行进方向的改变也小。特别优选向在第二激光701b的行进方向上具有负速度分量的原子赋予反冲动量，直至该原子具有零以上的正速度分量。因此，希望满足如下的条件。当热原子束110的中心轴上的第二激光701b的束宽为W

[数式3]

第三激光701c具有与基态和第一激发态之间的跃迁对应的波长λ

以热原子束110中的原子为钙的情况的具体例说明该实施方式。

第一激光701a与第三激光701c分别具有与基态的能级(

第二激光701b具有与基态的能级(

因此，根据该具体例，可知能够实现良好的准直。

在上述实施方式中，满足上述各条件的三个激光、即第一激光701a、第二激光701b、以及第三激光701c分别通过分别适当地设定各束腰、波长、光强度来实现。需要说明的是，束腰例如可以通过由透镜会聚激光来光学地设定，光强度例如可以通过调整输出来电设定。也就是说，因为各激光的生成装置的结构与现有的结构没有不同，所以省略并列设置有三个激光的生成装置的照射部710的结构的说明。在图1中，作为概要而图示有激光源721、722与透镜740。需要说明的是，第一激光701a的激光源与第三激光701c的激光源也可以相同。在该情况下，通过将来自一个激光源721的激光由分束器730分开，能够得到第一激光701a与第三激光701c。

接着，说明利用上述的原子束准直器700的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)式原子干涉仪500。马赫-曾德尔式原子干涉仪500包括：原子束源100、原子束准直器700、干涉部250、行进光驻波(定在波)生成部350、以及观测部400(参照图4)。在该例子中，原子束源100、干涉部250以及观测部400收纳在未图示的真空容器内。

如上所述，由原子束准直器700准直的热原子束110a进入干涉部250。

在说明干涉部250之前，说明行进光驻波生成部350。马赫-曾德尔式原子干涉仪500利用n阶布拉格衍射。其中，n为2以上的预先确定的正整数。行进光驻波生成部350生成满足n阶布拉格条件的三个行进光驻波、即第一行进光驻波201a、第二行进光驻波201b、以及第三行进光驻波201c。也满足如下各条件，即，第一行进光驻波201a具有作为原子束的分离器的功能，第二行进光驻波201b具有作为原子束的反射镜的功能，第三行进光驻波201c具有作为原子束的合成器的功能。

满足上述各条件的三个行进光驻波201a、201b、201c分别通过分别适当地设定高斯光束(Gaussian Beam)的束腰、波长、光强度、反向传播激光间的差频来实现。需要说明的是，高斯光束的束腰例如可以通过由透镜会聚激光来光学地设定，高斯光束的光强度例如可以通过调整高斯光束的输出来电设定。也就是说，行进光驻波的生成参数与现有的生成参数不同，生成上述三个行进光驻波的行进光驻波生成部350的结构与现有的结构没有不同，所以省略说明行进光驻波生成部350的结构。在图4中，作为概要而图示有激光源、透镜、反射镜、AOM等。

在干涉部250中，热原子束110a通过三个行进光驻波201a、201b、201c。在本例子中的原子干涉仪中，利用了通过相同的内部状态中不同的两个动量状态为|g,p

当热原子束110a通过第一行进光驻波201a时，初始状态为|g,p

分裂后，由状态为|g,p

反转后，由状态为|g,p

当向马赫-曾德尔式原子干涉仪500施加第一行进光驻波201a的作用至第三行进光驻波201c的作用下的、包括原子束的两条通路的平面内的角速度或加速度时，在第一行进光驻波201a的作用至第三行进光驻波201c的作用下的原子束的两条通路上产生相位差，该相位差反映在通过了第三行进光驻波201c后的各原子的状态为|g,p

在马赫-曾德尔式原子干涉仪500中使用的原子以满足在上述的原子束准直器700中说明的原子选择条件为前提，优选为碱土金属原子、碱土类金属原子、碱土金属原子的稳定同位素、或碱土类金属原子的稳定同位素。碱土金属原子为钙、锶、钡、镭。碱土类金属原子与碱土金属原子相同，是在基态中不具有因电子自旋而产生的磁矩的电子排列的原子，可以例示为铍、镁、镱、镉、汞等。因为上述原子在最外壳具有两个电子，所以反平行的电子的自旋角动量之和为零，因此难以受到环境磁场的影响。特别是因为碱土金属原子、碱土类金属原子、碱土金属原子的稳定同位素、或碱土类金属原子的稳定同位素之中不具有核自旋的原子完全不受环境磁场的影响，所以优选之。

因为碱土金属原子、碱土类金属原子、碱土金属原子的稳定同位素、以及碱土类金属原子的稳定同位素不具有超细结构，所以不能通过原子的内部状态识别原子干涉仪的输出。但是，在本例子中，因为通过利用高阶布拉格衍射，大幅提高原子干涉仪的输出的空间分辨率，所以能够在视觉上识别到原子干涉仪的输出。在该情况下，当原子束在正交方向上的速度分量较大时，则同时满足各阶数的布拉格衍射条件，所以原子干涉的可见性(visibility)会降低。因此，上述的原子束准直器700对于利用n阶布拉格衍射的马赫-曾德尔式原子干涉仪500是有用的。

在上述的原子干涉仪的例子中，虽然利用了利用n阶(n≥2)布拉格衍射的马赫-曾德尔式原子干涉仪，但不限于该类型，例如也可以使用利用了基于行进光驻波的双光子拉曼过程的马赫-曾德尔式原子干涉仪(参照参考文献2)。

(参考文献2)T.L.Gustavson，P.Bouyer and M.A.Kasevich，“PrecisionRotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope(使用原子干涉仪陀螺仪进行精确的旋转测量)”，Phys.Rev.Lett.78，2046-2049，Published 17 March 1997。

另外，在上述的原子干涉仪的例子中，虽然利用了使用三个行进光驻波来进行一次分裂、一次反转、一次混合的马赫-曾德尔式原子干涉仪，但不限于该类型，例如也可以利用进行多次分裂、多次反转、以及多次混合的多级马赫-曾德尔式原子干涉仪。对于上述多级马赫-曾德尔式原子干涉仪，参照参考文献3。

(参考文献3)Takatoshi Aoki et al.，“High-finesse atomic multiple-beaminterferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields(由同传的受激拉曼脉冲场组成的高精度原子多束干涉仪)”，Phys.Rev.A63，063611(2001)-Published 16May 2001。

另外，应用本发明的原子束准直器的原子干涉仪不限于马赫-曾德尔式原子干涉仪，例如也可以为Ramsey-Borde式原子干涉仪。

除此以外，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可以适当变更。例如，原子束源100不限于上述热原子束源，也可以为冷原子束源。另外，因为第三激光701c为了受激发射而使用，所以要求第三激光701c的行进方向与第一激光701a的行进方向相同且平行，此外，第一激光701a与第三激光701c的各行进方向优选是与原子束的行进方向正交的方向。但是，因为第二激光701b是为了改变在第一步骤中未跃迁至第一激发态的原子的行进方向而使用，所以既不需要使第二激光701b的行进方向为与原子束的行进方向正交的方向，并且也不需要第一激光701a与第三激光701c的各行进方向平行。

在技术方案的范围与说明书中，在没有特殊说明的情况下，序数并非旨在由该主要部件的顺序或该主要部件的量来限定由序数修饰的或与序数词结合的主要部件。在没有特殊说明的情况下，序数的使用只作为相互区分两个以上的主要部件的便利表达方法来使用。因此，例如词语“第一X”与词语“第二X”是用于区分两个X的表达，不一定代表X的总数为2，或者不一定代表第一X必须在第二X之前。对于“第一”这样的术语，不一定局限于代表“最初”。

在技术方案的范围与说明书中，术语“包括”及其词形变化作为非排他性的表达而使用。例如，“X包括A与B”这样的句子未否定X包括A与B以外的结构主要部件(例如C)。另外，在某些句子包括术语“包括”或其词形变化与否定词结合后的词语(例如“不包括”)的情况下，该句子只涉及其宾语。因此，例如“X不包括A与B”这样的句子能够确认X包括A与B以外的结构主要部件的可能性。此外，术语“或”旨在不是排他性的逻辑和。

上面，虽然针对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。在不脱离本发明主旨的范围内容许各种变更与变形。被选择且说明的实施方式用于说明本发明的原理及其实际的应用。本发明随着各种变更或变形而可以作为各种实施方式来使用，各种变更或变形可以根据期待的用途来确定。意味着这样的变更及变形都包含在由附加的技术方案的范围规定的本发明的范围内，在本着公平、合法以及公正的原则来进行说明的情况下，意味着能够给予相同的保护。

附图标记说明

100原子束源；100a主体部；100b喷嘴；110热原子束；200真空容器；700原子束准直器；701a第一激光；701b第二激光；701c第三激光；710照射部；721激光源；722激光源；730分束器；740透镜。