冷原子量子真空测量设备小型化研究进展综述

成永军,董 猛,孙雯君,吴翔民,张亚飞

(兰州空间技术物理研究所,真空技术与物理重点实验室,兰州 730000)

1 引言

目前,有许多先进技术与研究依赖于极高真空研究的发展,例如,航空航天与深空探测技术、引力波探测、粒子加速器、极紫外光刻技术、扫描电子显微镜等[1-4]。原子的激光冷却与陷俘,作为20 世纪末物理学发展最为迅速的领域,彻底改变了实验物理学的能力,对整个物理学的发展产生了深远的影响。实际上,早在20 世纪80 年代,在碱金属原子激光冷却俘获实验成功后不久,人们就注意到,真空腔中的背景气体限制了阱中原子的寿命。但随后,一些研究人员意识到,可以将这个问题反转过来,根据阱中原子的寿命来反演真空腔中的真空度[5]。

到目前为止,大多数冷原子真空标准都是实验室规模的设备,包含大量的机械结构以及光学元件[6]。整个系统结构复杂、机械自由度多、使用及维护困难、便携性较差,同时很难在极端动态条件下保持高性能,在极高真空测量领域不能替代传统的电离真空计[7]。在过去的十年中,研究人员们已经在冷原子传感器小型化方面取得了巨大成果。文中介绍了冷原子传感器小型化的最新进展,重点关注了其中涉及的关键元件与技术,并且对冷原子传感器的发展进行了展望。

2 基于冷原子的量子真空测量理论

量子真空测量技术主要可以表现为对冷原子团损耗的观测过程,被俘获的冷原子在背景气体的碰撞作用下,数目呈指数型衰减。

式中:N0——原子团中的初始原子数;t——时间;N——某一时刻原子团中的原子数;Γloss——某一势阱深度下的原子团的损失率。

进一步地,Γloss=nσvr,其中n是参考气体的密度,vr是冷原子与背景气体粒子碰撞体系的相对速度,σ为冷原子的碰撞截面,是原子的基本属性之一。更精确地,可以将σvr表示为碰撞截面在麦克斯韦玻尔兹曼(M-B)速度分布上的平均〈σvr〉。在势阱深度不变时,同一碰撞体系的〈σvr〉不变,〈σvr〉也因此被称为损失率系数。将原子碰撞理论与理想气体状态方程相结合,有

式中:P——待测真空度;kB——玻尔兹曼常数;T——原子团温度。因此,只需测量损失率Γloss,以及损失率系数〈σvr〉,就可以对待测真空进行反演。

根据上述理论,冷原子真空计量中最关键的是冷原子团的获取以及观测过程,这个过程依赖于磁光阱(MOT)的构建。如图1 所示,磁光阱由三对正交反向传播的激光束(光阱)以及一对四极磁场(磁阱)构成,其中σ+表示右旋偏振光,σ-表示左旋偏振光。磁光阱可以降低其中心处原子的动量,从而实现原子团的凝聚[8]。

图1 传统六束MOT 示意图[8]Fig.1 Schematic diagram of conventional six-beam MOT

综上所述,量子真空测量装置一般应包括:

(1)光学系统,调整激光的形状与偏振状态,从而获得冷却原子所需的三束对打激光;

(2)原子源,提供冷却所需的原子;

(3)真空泵,用以维持腔体内的真空度,以及减小原子源工作时释放的杂散气体所带来的影响;

(4)磁光阱,原子冷却与囚禁的核心部件;

(5)线圈,提供磁光阱所需的四极磁场。

着眼于上述部件,对冷原子系统小型化的最新发展进行综述。

3 光学系统

为了实现对微观粒子的冷却与观测,量子传感器的基本组成部分包括激光源和大量的光学元件。近年来,在光学元件小型化方面的研究已经取得了重大成果,从而推动了量子传感器的相关发展。小型化光学元件的使用,可以提高量子传感系统的便携性、鲁棒性和扩展性[9]。在本节中,将重点介绍有利于量子传感器小型化的光学元件的最新进展。

3.1 激光器

由于原子冷却激光在功率及线宽方面严格要求,限制了量子传感器小型化的发展。在过去,原子冷却囚禁实验中所使用的激光器大多为二极管激光器(ECDL)[10]。虽然ECDL 可以为原子冷却提供足够的功率,且是一个高效、低成本的解决方案,但为了严格保证原子冷却激光所需的偏振状态与频率,ECDL 往往需要搭配大量的光学元件使用,阻碍了光学系统的小型化。

一种激光器芯片化的方案是分布反馈激光器(DFB),其不采用抛光面来实现产生激光所必须的反馈作用,而是通过折射率周期性变化的皱折结构来实现反馈[11]。DFB 不仅具有良好的性能且尺寸较小,还可以实现稳定的单模运转[12]。

3.2 光子集成技术

用光子集成电路(PIC)替换离散光学元件能够显著降低量子传感器的体积以及成本。图2 为一种使用Si3N4波导片的光子集成电路示意图。其关键部件包括偏振旋转器(PR)、偏振分束器(PBS)、分布式反馈激光器(DFB)、Rb 蒸汽电池和光电探测器(PD)[13]。

图2 光子集成电路示意图[13]Fig.2 Schematic diagram of photonic integrated circuit

除了光子集成电路外,光子集成技术的另一个关键研究是变迹光栅耦合技术。该技术旨在将光从平面波导衍射到自由空间,实现波导与自由空间的有效耦合,同时使相关光学元件保持较小体积[14]。如图3 所示,变迹光栅耦合器由在硅衬底上的周期堆叠的SiO2层和SiN 层形成,以在自由空间中提供高斯分布的光束。目前,变迹光栅耦合器已经可以在自由空间中提供2.5 mm ×3.5 mm 的光束,从而得以在传统的六束MOT 以及小型化的光栅MOT 中运用[15]。

图3 变迹光栅耦合器示意图[14]Fig.3 Schematic diagram of variable track grating coupler

4 原子源

原子冷却的基本条件是真空腔室内存在碱金属原子蒸气的同时保证较高的真空度[16],因此,提高冷碱金属蒸汽的纯度以及减少污染物所带来的影响对量子传感器而言至关重要。目前,对于实验室规模的量子真空标准而言,原子源由原子炉以及所附带的离子泵构成[17]。这种方案的体积与重量较大,限制了量子传感器小型化的发展。

微型原子蒸汽池(AVC)是解决上述问题的一个方案。Knapkiewicz 提供了一种微型原子蒸汽池的设计方案,尺寸约为6 mm×4 mm×2.4 mm,如4(a)和4(b)所示[18]。微型原子蒸汽池的外部由深反应离子刻蚀或湿法刻蚀制成的硅基体组成,基体两侧覆盖硼硅玻璃。内部结构由光学腔室、连接通道和用于放置小型碱金属丸的腔室组成。工作时,使用激光照射腔室内的碱金属丸。碱金属丸吸收激光并升温,最终形成碱蒸汽,如图4(c)所示。其中,蒸汽池所释放碱金属原子的数量可以通过调整激光的功率和照射时间来改变。Grzebyk[19]则提出可以将分配单元、碱金属蒸汽池、微型真空泵集成在一起,从而实现系统的小型化,如图4(d)所示。这种方案实现了在蒸汽池内部集成压力传感/控制装置,从而实现了对碱金属蒸汽池内部真空度的监测与操控。

图4 微型原子蒸汽池结构图[18,19]Fig.4 Structure of micro atomic vapor cell

5 磁光阱(MOT)

冷原子设备的体积较大是因为其包含大量的光学元件,这些光学元件对于控制光学对准、偏振和光束形状是必不可少的。其中,MOT 的小型化是该研究方向的一大热点。目前,已有许多研究人员从光学结构出发,提出了一些MOT 小型化或集成化方案。本节将重点介绍冷原子系统MOT 小型化的主要进展。

5.1 金字塔MOT

MOT 小型化的一个方案是金字塔形MOT(PMOT),其原理如图5(a)所示,微纳制造工艺PMOT 芯片如图5(b)所示。使用金字塔形镜反射入射光,产生原子冷却所需的额外光束,从而使传统MOT 所需的六束激光缩减为一束[20]。Lee 等提出了一种单光束PMOT 方案[21],其核心光学元件由锥形漏斗式反射镜和四分之一波片组成,并利用偏振分束器将冷却光和反抽运光组合成一束光。此后,依据该设计还发展出了具有不同光路和光学元件的圆锥型[22]和三棱锥型[23]的改进方案。Pollock等根据硅片的微制造刻蚀技术,将上述PMOT 集成到原子芯片上[24]。

图5 PMOT 工作原理示意图[20]Fig.5 Schematic diagram of PMOT working principle

尽管PMOT 显著降低了激光冷却系统的尺寸,但其并非没有缺陷。由于入射光和反射光之间产生的光学重叠体积比传统六光束MOT 小得多,因此PMOT 所能装载的原子数有限。此外,由于冷原子团是在锥形结构内被捕获,因此不利于冷原子团的成像和探测。解决上述问题的一个方式为增加反射角,从而使入射光与反射光重叠的区域位于反射镜结构上方,形成所谓的四面体MOT,从而产生原子成像所需的光路[25]。虽然四面体MOT 优化了PMOT 的诸多缺陷,但它仍然是一种需要手工组装和光路对齐的繁琐方案。

5.2 光栅MOT

由于PMOT 可装载的原子数有限,研究人员进一步将反射镜转化为平面衍射光栅,从而形成所谓的光栅MOT(GMOT)[26]。GMOT 一般使用光刻技术制造[27],其原理如图6 所示,入射光经光栅衍射后形成衍射光,并与入射光形成磁光阱。

图6 GMOT 示意图Fig.6 Schematic diagram of GMOT

相比于PMOT,由于GMOT 具有较大的光学重叠体积,从而可以装载与传统六束MOT 相当量的原子[28]。GMOT 也因此作为冷原子系统小型化的一个成功案例得以广泛应用[29-31]。Eckel 等所研发的小型冷原子真空计的设计方案[32]如图7 所示。其中,MOT 的冷却光束用光纤引入,经原子芯片上的光栅衍射构成了束缚原子的激光场。

图7 便携式冷原子传感器图Fig.7 Structure of portable cold atom sensor

Barker[30]等演示了一个冷却与捕获7Li 原子的装置,如图8 所示,该装置通过集成塞曼减速器提升了MOT 的原子装载量。Nshii 等借助衍射光栅技术制作了俘获原子数与普通MOT 相当的光栅芯片MOT[33]。此外,还有一部分研究集中在MOT 磁场结构方面的小型化改进。另外,一些研究小组已经采用了微米尺寸的导线型[34]和永磁型[35]表面原子芯片技术完成了冷原子的制备与操控。Salit 等还提出了将磁屏蔽系统集成到装置上的设想[36],这将有助于实现小型化冷原子俘获传感MOT 装置的长期稳定性。

图8 GMOT 与塞曼线圈的组合Fig.8 Combination structure of GMOT and Seaman coil

6 磁场

原子冷却的一个关键部件是用于产生四极磁场的线圈。图9 为美国标准技术研究院(NIST)所建立的实验室规模的量子真空标准设备,其所使用的线圈尺寸较大,并且需要额外的水冷设备[37]。

图9 实验室规模的量子真空传感器及所使用的反亥姆霍兹线圈Fig.9 Laboratory-scale quantum vacuum sensors and anti-Helmholtz coils

因此,实现量子传感器小型化不可避免地涉及到磁场线圈的小型化方案。将小型化的磁场线圈与GMOT 相结合,如图10 所示,可以大幅度减小量子真空传感器的尺寸。目前,在磁场线圈小型化方面已经有了一些解决方案[30,38]。

图10 小型线圈与GMOT 的组合Fig.10 Combination structure of GMOT and small coil

如图11 所示,NIST 所提出的小型化量子真空传感器中,使用永磁体取代了反亥姆霍兹线圈来提供四极磁场[6]。这种设计虽然减小了系统的体积,但使用永磁体可能会导致金属腔体磁化,从而对梯度磁场影响,并且永磁体可能会在高温条件下损失磁性。

图11 NIST 开发的小型化量子真空传感器以及所用的永磁体Fig.11 Miniaturized quantum vacuum sensor developed at NIST and used permanent magnet

另一种具有前景的解决方案是所谓的线圈芯片[39,40]。如图12 所示,这种方案通过在硅基体上沉积铜电路,并通过外加电流来产生磁场。由于芯片与冷原子团的距离很小,所需的梯度磁场很小,从而有效降低了线圈的功耗与尺寸。利用线圈芯片取代传统的反亥姆霍兹线圈,有效地降低了MOT 的体积。

图12 原子芯片结构示意图Fig.12 Structure diagram of atom chip

7 结束语

量子真空测量在精度提升和量限拓展方面具有独特优势,经过不断技术迭代升级,便携小型化、芯片化是未来发展的主要趋势。综述了近年来冷原子量子真空传感器在小型化方面所取得的一系列重要进展。除了文中所提到的相关进展,冷原子量子传感器的小型化研究也在微型激光波长参考、极高真空封装、极高真空维持装置等方面也取得了重要进展。在未来,冷原子量子传感器将继续向小型化、集成化、高稳定性、适应恶劣工作环境等方向发展,支撑武器装备、宇航科技能力提升,推进量子精密测量、真空科学与技术、原子物理学、深空探测等领域的发展。