本发明属于基于原子芯片的小型化冷原子真空物理敏感器，具体涉及一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置。
背景技术：
1、原子芯片是一种通过微纳加工技术在基底上刻画微导线的器件，其通过设计的微导线能够在芯片表面附近产生微磁阱用于囚禁冷原子，基于原子芯片的真空物理系统用于控制电场、磁场和光场，以捕获和操纵冷原子云最终可以形成玻色-爱因斯坦凝聚体。潜在的应用包括原子钟、原子干涉仪和量子信息处理器。尽管近年来原子芯片的发展取得了巨大进展，但加载芯片mot的方法仍然非常不方便。通常整个原子芯片真空物理装置要设有外部mot结构，原子首先被囚禁在远离芯片表面的宏观外部磁光阱(mot)中，这需要在空间上产生多数激光束，即使是常用的mirror-mot方案也需要产生4束冷却激光束，这需要在冷原子真空物理装置上设有复杂的光路折返结构或者装有多个光纤准直器。芯片磁阱可以使用芯片外部的宏观线圈结合使用集成导线形成u-mot或z-mot来产生。接下来原子被装载到外部磁阱中，通过转移外部偏置磁场来改变磁阱的位置，最终必须非常准确地移动磁阱才能将原子转移到芯片上的小型mot中。
2、现有的原子芯片冷原子真空物理发生装置基本采用以上方法，已经公开的《一种原子芯片用原子束发生方法及其装置》，专利公开号(cn1805650a)，通过6束冷却激光和第二对反赫姆赫兹线圈构成的三维磁光阱对热原子源喷口喷出的原子源蒸汽束进行捕获和冷却，其芯片冷原子冷却机制几乎涵盖了传统原子芯片真空物理装置的特点，一方面外部磁光阱结构是传统的6束激光对束结构，原子芯片mot一般采用4束冷却光结构的镜面mot，装置内部光路折返系统太过复杂；另一方面，两个磁光阱各自有一对反亥姆霍兹线圈，这又增加了装置的复杂性和庞大化；最重要的是，两个磁光阱相距太远，不利于操纵预冷却的原子转移到芯片mot上。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，具有原子被冷却并直接收集在芯片上感兴趣的位置的优点，并且大大减少了冷原子真空物理装置的内部光路结构，简化了磁场系统。
2、本发明采用的技术方案是：
3、一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，包括装置支撑组件(3)以及安装在装置支撑组件(3)上的磁场组件(1)、荧光收集组件(2)、探测光组件(4)、金字塔mot发生组件、真空组件(6)以及冷却光发生组件(7)，其中：
4、所述装置支撑组件(3)包括上底座平台、下底座平台(18)以及支撑在上底座平台和下底座平台(18)之间的支撑柱(15)；所述上底座平台上设置有所述磁场组件(1)、荧光收集组件(2)、探测光组件(4)、金字塔mot发生组件、真空组件(6)；所述下底座平台(18)上设置有所述冷却光发生组件(7)；
5、所述金字塔mot发生组件包括原子芯片(5)、三角反射棱镜(62)和1/4/玻片(63)，所述原子芯片(5)朝向冷却光束(14)的一面设置有四块所述三角反射棱镜(62)，所述1/4玻片(63)设置于原子芯片(5)表面中心竖直光通光区域；冷却光束(14)自下向上垂直打至原子芯片(5)区域，冷却光束(14)在水平方向上形成4束水平反射冷却光，两两对应形成水平反射冷却激光对束，在竖直方向上形成竖直入射冷却光束(67)和竖直反射冷却光(66)，其中4束所述水平反射冷却激光对束是边缘处冷却光经由四块三角反射棱镜(62)反射而成；偏振方向为σ+的水平圆偏振冷却光(64)和对面偏振方向为σ-的水平圆偏振冷却光(65)形成水平反射冷却激光；4束水平反射冷却光在二维平面上形成一个2d-mot，竖直入射冷却光束(67)和竖直反射冷却光(66)是中间区域竖直向上激光束经由原子芯片表面反射而形成，最终在原子芯片下方形成一个3d-mot，原子(68)将被冷却囚禁在此6束激光交汇处。
6、进一步的，所述磁场组件(1)包括mot线圈(50)、x向偏置磁场线圈(55)、y向偏置磁场线圈(56)和z向偏置磁场线圈(52)，所述mot线圈(55)、所述x向偏置磁场线圈(55)、y向偏置磁场线圈(56)和z向偏置磁场线圈(52)、分别通过mot线圈框架(49)x向线圈框架(54)、y向线圈框架(53)、z向线圈框架(51)固定在集成框架(8)上，所述集成框架(8)通过支撑杆(13)连接在上平台底座18上。
7、进一步的，所述mot线圈(55)由一对反亥姆霍兹线圈构成，为磁光阱的一部分，用以为冷原子冷却囚禁提供四极磁阱，磁阱中心磁场梯度至少要达到10g/cm；所述x向偏置磁场线圈(55)、y向偏置磁场线圈(56)和z向偏置磁场线圈(52)均由一对亥姆霍兹线圈组成，用以为原子芯片(5)上磁光阱提供外部磁场和调整外部金字塔mot中心的位置。
8、进一步的，所述真空组件(6)包括玻璃真空腔室(32)、带有通光窗口的金属四通腔体(36)、带阀铷泡管结构，dispenser原子释放结构、离子泵(42)、抽气铜管(38)、铟封管道(25)以及支撑脚(40)，所述玻璃真空腔体(32)通过所述铟封管道(25)和铟封压接法兰(41)与金属四通腔体(36)的顶部连接，通过金属铟封的方式实现玻璃真空腔体(32)和金属四通腔体(36)的高强度软密封；所述金属四通腔体(36)的底部固设在所述支撑脚(40)上，所述支撑脚(40)安装在下底座平台(18)上；所述真空腔体(32)的上端面通过原子芯片(5)封接，三角反射棱镜(62)真空封在真空腔体内部；所述金属四通腔体(36)的四个侧面上分别设置有所述带阀铷泡管结构、所述dispenser原子释放结构、所述抽气铜管(38)以及所述离子泵(42)，所述带阀铷泡管结构和所述dispenser原子释放结构以及所述抽气铜管(38)和所述离子泵(42)两两相对设置。
9、进一步的，所述抽气铜管(38)的一端通过法兰接口(39)和外部分子泵组连接，另一端通过cf16法兰(37)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接；所述离子泵(42)通过cf35法兰(43)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接，通过高压线连接高压线接口(44)对其加以高压驱动。
10、进一步的，所述带阀铷泡管结构包括真空控制阀门(46)、cf16真空法兰(47)以及放置铷泡用的铷泡铜管(48)，所述铷泡铜管(48)通过cf16法兰(45)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接，铷泡(16)提前放置在铷泡铜管(48)内；所述铷泡铜管(48)上设置有所述真空控制阀门(46)和cf16真空法兰(47)。
11、进一步的，所述dispenser原子释放结构包括feedthrough针脚(26)、真空馈通法兰(33)、cf35连接管道(34)和cf35真空法兰(35)；所述cf35连接管道(34)一端设置有所述真空馈通法兰(33)，所述真空馈通法兰(33)上设置有所述feedthrough针脚(26)；所述cf35连接管道(34)另一端通过真空法兰(35)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接。
12、进一步的，所述探测光组件(4)包括探测光镜组框架(21)、探测光准直器(19)、第一1/4玻片调整环安装框架(22)、第一1/4玻片调整环(24)、第一角锥反射棱镜(23)、探测光束(9)以及探测光反射镜片(10)，所述探测光反射镜片(10)通过探测光反射镜架(11)安装在支撑脚(13)上，所述支撑脚(13)的底部固设在上底座平台上；所述第一角锥反射棱镜(23)固设在探测光镜组框架(21)，且所述探测光束(9)位于所述第一角锥反射棱镜(23)与探测光反射镜片(10)之间；所述第一1/4玻片调整环(24)安装在所述第一1/4玻片调整环安装框架(22)上，所述第一1/4玻片调整环安装框架(22)安装在探测光镜组框架(21)上；所述探测光准直器(19)通过法兰块(20)固设在探测光镜组框架(21)上，所述探测光镜组框架(21)固设在上底座平台上。
13、进一步的，所述冷却光发生组件(7)包括包括冷却光准直器(31)、第二角锥反射棱镜(17)、第二1/4玻片调整环安装框架(30)、第二1/4玻片调整环(29)以及冷却光束(14)，所述激光准直器(31)通过压接法兰(28)固定在冷却光镜组框架上，所述第二角锥反射棱镜(17)粘接在冷却光镜组框架上，所述冷却光镜组框架固定在下底座平台(18)上，所述第二1/4玻片调整环(29)固定在第二1/4玻片调整环安装框架(30)上。
14、进一步的，所述荧光收集组件(2)通过m6螺丝锁定在上底座平台上。
15、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
16、1、本发明提出了一种简单的原子芯片冷原子真空物理装置，即在芯片表面贴合4个角锥反射棱镜，4棱镜结构形成金字塔mot结构，并且在中间需要囚禁原子的地方形成金字塔形方形空洞，最终单个宽光束入射光束在金字塔结构中被多重反射汇聚于一处形成三维磁光阱，在中间空洞处贴有方形1/4/玻片，以形成磁光阱捕获所需的一组适当偏振的光束。
17、2、本发明具有原子被冷却并直接收集在芯片上感兴趣的位置的优点，并且大大减少了冷原子真空物理装置的内部光路结构，简化了磁场系统。
1.一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，包括装置支撑组件(3)以及安装在装置支撑组件(3)上的磁场组件(1)、荧光收集组件(2)、探测光组件(4)、金字塔mot发生组件、真空组件(6)以及冷却光发生组件(7)，其中：
2.如权利要求1所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述磁场组件(1)包括mot线圈(50)、x向偏置磁场线圈(55)、y向偏置磁场线圈(56)和z向偏置磁场线圈(52)，所述mot线圈(55)、所述x向偏置磁场线圈(55)、y向偏置磁场线圈(56)和z向偏置磁场线圈(52)、分别通过mot线圈框架(49)x向线圈框架(54)、y向线圈框架(53)、z向线圈框架(51)固定在集成框架(8)上，所述集成框架(8)通过支撑杆(13)连接在上平台底座(18)上。
3.如权利要求2所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述mot线圈(55)由一对反亥姆霍兹线圈构成，为磁光阱的一部分，用以为冷原子冷却囚禁提供四极磁阱，磁阱中心磁场梯度至少要达到10g/cm；所述x向偏置磁场线圈(55)、y向偏置磁场线圈(56)和z向偏置磁场线圈(52)均由一对亥姆霍兹线圈组成，用以为原子芯片(5)上磁光阱提供外部磁场和调整外部金字塔mot中心的位置。
4.如权利要求1所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述真空组件(6)包括玻璃真空腔室(32)、带有通光窗口的金属四通腔体(36)、带阀铷泡管结构，dispenser原子释放结构、离子泵(42)、抽气铜管(38)、铟封管道(25)以及支撑脚(40)，所述玻璃真空腔体(32)通过所述铟封管道(25)和铟封压接法兰(41)与金属四通腔体(36)的顶部连接，通过金属铟封的方式实现玻璃真空腔体(32)和金属四通腔体(36)的高强度软密封；所述真空腔体(32)的上端面通过原子芯片(5)封接，三角反射棱镜(62)真空封在真空腔体内部；所述金属四通腔体(36)的底部固设在所述支撑脚(40)上，所述支撑脚(40)安装在下底座平台(18)上；所述金属四通腔体(36)的四个侧面上分别设置有所述带阀铷泡管结构、所述dispenser原子释放结构、所述抽气铜管(38)以及所述离子泵(42)，所述带阀铷泡管结构和所述dispenser原子释放结构以及所述抽气铜管(38)和所述离子泵(42)两两相对设置。
5.如权利要求4所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述抽气铜管(38)的一端通过法兰接口(39)和外部分子泵组连接，另一端通过cf16法兰(37)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接；所述离子泵(42)通过cf35法兰(43)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接，通过高压线连接高压线接口(44)对其加以高压驱动。
6.如权利要求4所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述带阀铷泡管结构包括真空控制阀门(46)、cf16真空法兰(47)以及放置铷泡用的铷泡铜管(48)，所述铷泡铜管(48)通过cf16法兰(45)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接，铷泡(16)提前放置在铷泡铜管(48)内；所述铷泡铜管(48)上设置有所述真空控制阀门(46)和cf16真空法兰(47)。
7.如权利要求4所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述dispenser原子释放结构包括feedthrough针脚(26)、真空馈通法兰(33)、cf35连接管道(34)和cf35真空法兰(35)；所述cf35连接管道(34)一端设置有所述真空馈通法兰(33)，所述真空馈通法兰(33)上设置有所述feedthrough针脚(26)；所述cf35连接管道(34)另一端通过真空法兰(35)与所述金属四通腔体(36)的侧面连接。
8.如权利要求1所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述探测光组件(4)包括探测光镜组框架(21)、探测光准直器(19)、第一1/4玻片调整环安装框架(22)、第一1/4玻片调整环(24)、第一角锥反射棱镜(23)、探测光束(9)以及探测光反射镜片(10)，所述探测光反射镜片(10)通过探测光反射镜架(11)安装在支撑脚(13)上，所述支撑脚(13)的底部固设在上底座平台上；所述第一角锥反射棱镜(23)固设在探测光镜组框架(21)，且所述探测光束(9)位于所述第一角锥反射棱镜(23)与探测光反射镜片(10)之间；所述第一1/4玻片调整环(24)安装在所述第一1/4玻片调整环安装框架(22)上，所述第一1/4玻片调整环安装框架(22)安装在探测光镜组框架(21)上；所述探测光准直器(19)通过法兰块(20)固设在探测光镜组框架(21)上，所述探测光镜组框架(21)固设在上底座平台上。
9.如权利要求1所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述冷却光发生组件(7)包括包括冷却光准直器(31)、第二角锥反射棱镜(17)、第二1/4玻片调整环安装框架(30)、第二1/4玻片调整环(29)以及冷却光束(14)，所述激光准直器(31)通过压接法兰(28)固定在冷却光镜组框架上，所述第二角锥反射棱镜(17)粘接在冷却光镜组框架上，所述冷却光镜组框架固定在下底座平台(18)上，所述第二1/4玻片调整环(29)固定在第二1/4玻片调整环安装框架(30)上。
10.如权利要求1所述的一种基于外部金字塔型mot的原子芯片冷原子真空物理装置，其特征在于，所述荧光收集组件(2)通过m6螺丝锁定在上底座平台上。
