冷原子量子真空測量設備小型化研究進展綜述

成永軍,董 猛,孫雯君,吳翔民,張亞飛

(蘭州空間技術物理研究所,真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000)

1 引言

目前,有許多先進技術與研究依賴于極高真空研究的發展,例如,航空航天與深空探測技術、引力波探測、粒子加速器、極紫外光刻技術、掃描電子顯微鏡等[1-4]。原子的激光冷卻與陷俘,作為20 世紀末物理學發展最為迅速的領域,徹底改變了實驗物理學的能力,對整個物理學的發展產生了深遠的影響。實際上,早在20 世紀80 年代,在堿金屬原子激光冷卻俘獲實驗成功后不久,人們就注意到,真空腔中的背景氣體限制了阱中原子的壽命。但隨后,一些研究人員意識到,可以將這個問題反轉過來,根據阱中原子的壽命來反演真空腔中的真空度[5]。

到目前為止,大多數冷原子真空標準都是實驗室規模的設備,包含大量的機械結構以及光學元件[6]。整個系統結構復雜、機械自由度多、使用及維護困難、便攜性較差,同時很難在極端動態條件下保持高性能,在極高真空測量領域不能替代傳統的電離真空計[7]。在過去的十年中,研究人員們已經在冷原子傳感器小型化方面取得了巨大成果。文中介紹了冷原子傳感器小型化的最新進展,重點關注了其中涉及的關鍵元件與技術,并且對冷原子傳感器的發展進行了展望。

2 基于冷原子的量子真空測量理論

量子真空測量技術主要可以表現為對冷原子團損耗的觀測過程,被俘獲的冷原子在背景氣體的碰撞作用下,數目呈指數型衰減。

式中:N0——原子團中的初始原子數;t——時間;N——某一時刻原子團中的原子數;Γloss——某一勢阱深度下的原子團的損失率。

進一步地,Γloss=nσvr,其中n是參考氣體的密度,vr是冷原子與背景氣體粒子碰撞體系的相對速度,σ為冷原子的碰撞截面,是原子的基本屬性之一。更精確地,可以將σvr表示為碰撞截面在麥克斯韋玻爾茲曼(M-B)速度分布上的平均〈σvr〉。在勢阱深度不變時,同一碰撞體系的〈σvr〉不變,〈σvr〉也因此被稱為損失率系數。將原子碰撞理論與理想氣體狀態方程相結合,有

式中:P——待測真空度;kB——玻爾茲曼常數;T——原子團溫度。因此,只需測量損失率Γloss,以及損失率系數〈σvr〉,就可以對待測真空進行反演。

根據上述理論,冷原子真空計量中最關鍵的是冷原子團的獲取以及觀測過程,這個過程依賴于磁光阱(MOT)的構建。如圖1 所示,磁光阱由三對正交反向傳播的激光束(光阱)以及一對四極磁場(磁阱)構成,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處原子的動量,從而實現原子團的凝聚[8]。

圖1 傳統六束MOT 示意圖[8]Fig.1 Schematic diagram of conventional six-beam MOT

綜上所述,量子真空測量裝置一般應包括:

(1)光學系統,調整激光的形狀與偏振狀態,從而獲得冷卻原子所需的三束對打激光;

(2)原子源,提供冷卻所需的原子;

(3)真空泵,用以維持腔體內的真空度,以及減小原子源工作時釋放的雜散氣體所帶來的影響;

(4)磁光阱,原子冷卻與囚禁的核心部件;

(5)線圈,提供磁光阱所需的四極磁場。

著眼于上述部件,對冷原子系統小型化的最新發展進行綜述。

3 光學系統

為了實現對微觀粒子的冷卻與觀測,量子傳感器的基本組成部分包括激光源和大量的光學元件。近年來,在光學元件小型化方面的研究已經取得了重大成果,從而推動了量子傳感器的相關發展。小型化光學元件的使用,可以提高量子傳感系統的便攜性、魯棒性和擴展性[9]。在本節中,將重點介紹有利于量子傳感器小型化的光學元件的最新進展。

3.1 激光器

由于原子冷卻激光在功率及線寬方面嚴格要求,限制了量子傳感器小型化的發展。在過去,原子冷卻囚禁實驗中所使用的激光器大多為二極管激光器(ECDL)[10]。雖然ECDL 可以為原子冷卻提供足夠的功率,且是一個高效、低成本的解決方案,但為了嚴格保證原子冷卻激光所需的偏振狀態與頻率,ECDL 往往需要搭配大量的光學元件使用,阻礙了光學系統的小型化。

一種激光器芯片化的方案是分布反饋激光器(DFB),其不采用拋光面來實現產生激光所必須的反饋作用,而是通過折射率周期性變化的皺折結構來實現反饋[11]。DFB 不僅具有良好的性能且尺寸較小,還可以實現穩定的單模運轉[12]。

3.2 光子集成技術

用光子集成電路(PIC)替換離散光學元件能夠顯著降低量子傳感器的體積以及成本。圖2 為一種使用Si3N4波導片的光子集成電路示意圖。其關鍵部件包括偏振旋轉器(PR)、偏振分束器(PBS)、分布式反饋激光器(DFB)、Rb 蒸汽電池和光電探測器(PD)[13]。

圖2 光子集成電路示意圖[13]Fig.2 Schematic diagram of photonic integrated circuit

除了光子集成電路外,光子集成技術的另一個關鍵研究是變跡光柵耦合技術。該技術旨在將光從平面波導衍射到自由空間,實現波導與自由空間的有效耦合,同時使相關光學元件保持較小體積[14]。如圖3 所示,變跡光柵耦合器由在硅襯底上的周期堆疊的SiO2層和SiN 層形成,以在自由空間中提供高斯分布的光束。目前,變跡光柵耦合器已經可以在自由空間中提供2.5 mm ×3.5 mm 的光束,從而得以在傳統的六束MOT 以及小型化的光柵MOT 中運用[15]。

圖3 變跡光柵耦合器示意圖[14]Fig.3 Schematic diagram of variable track grating coupler

4 原子源

原子冷卻的基本條件是真空腔室內存在堿金屬原子蒸氣的同時保證較高的真空度[16],因此,提高冷堿金屬蒸汽的純度以及減少污染物所帶來的影響對量子傳感器而言至關重要。目前,對于實驗室規模的量子真空標準而言,原子源由原子爐以及所附帶的離子泵構成[17]。這種方案的體積與重量較大,限制了量子傳感器小型化的發展。

微型原子蒸汽池(AVC)是解決上述問題的一個方案。Knapkiewicz 提供了一種微型原子蒸汽池的設計方案,尺寸約為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應離子刻蝕或濕法刻蝕制成的硅基體組成,基體兩側覆蓋硼硅玻璃。內部結構由光學腔室、連接通道和用于放置小型堿金屬丸的腔室組成。工作時,使用激光照射腔室內的堿金屬丸。堿金屬丸吸收激光并升溫,最終形成堿蒸汽,如圖4(c)所示。其中,蒸汽池所釋放堿金屬原子的數量可以通過調整激光的功率和照射時間來改變。Grzebyk[19]則提出可以將分配單元、堿金屬蒸汽池、微型真空泵集成在一起,從而實現系統的小型化,如圖4(d)所示。這種方案實現了在蒸汽池內部集成壓力傳感/控制裝置,從而實現了對堿金屬蒸汽池內部真空度的監測與操控。

圖4 微型原子蒸汽池結構圖[18,19]Fig.4 Structure of micro atomic vapor cell

5 磁光阱(MOT)

冷原子設備的體積較大是因為其包含大量的光學元件,這些光學元件對于控制光學對準、偏振和光束形狀是必不可少的。其中,MOT 的小型化是該研究方向的一大熱點。目前,已有許多研究人員從光學結構出發,提出了一些MOT 小型化或集成化方案。本節將重點介紹冷原子系統MOT 小型化的主要進展。

5.1 金字塔MOT

MOT 小型化的一個方案是金字塔形MOT(PMOT),其原理如圖5(a)所示,微納制造工藝PMOT 芯片如圖5(b)所示。使用金字塔形鏡反射入射光,產生原子冷卻所需的額外光束,從而使傳統MOT 所需的六束激光縮減為一束[20]。Lee 等提出了一種單光束PMOT 方案[21],其核心光學元件由錐形漏斗式反射鏡和四分之一波片組成,并利用偏振分束器將冷卻光和反抽運光組合成一束光。此后,依據該設計還發展出了具有不同光路和光學元件的圓錐型[22]和三棱錐型[23]的改進方案。Pollock等根據硅片的微制造刻蝕技術,將上述PMOT 集成到原子芯片上[24]。

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

盡管PMOT 顯著降低了激光冷卻系統的尺寸,但其并非沒有缺陷。由于入射光和反射光之間產生的光學重疊體積比傳統六光束MOT 小得多,因此PMOT 所能裝載的原子數有限。此外,由于冷原子團是在錐形結構內被捕獲,因此不利于冷原子團的成像和探測。解決上述問題的一個方式為增加反射角,從而使入射光與反射光重疊的區域位于反射鏡結構上方,形成所謂的四面體MOT,從而產生原子成像所需的光路[25]。雖然四面體MOT 優化了PMOT 的諸多缺陷,但它仍然是一種需要手工組裝和光路對齊的繁瑣方案。

5.2 光柵MOT

由于PMOT 可裝載的原子數有限,研究人員進一步將反射鏡轉化為平面衍射光柵,從而形成所謂的光柵MOT(GMOT)[26]。GMOT 一般使用光刻技術制造[27],其原理如圖6 所示,入射光經光柵衍射后形成衍射光,并與入射光形成磁光阱。

圖6 GMOT 示意圖Fig.6 Schematic diagram of GMOT

相比于PMOT,由于GMOT 具有較大的光學重疊體積,從而可以裝載與傳統六束MOT 相當量的原子[28]。GMOT 也因此作為冷原子系統小型化的一個成功案例得以廣泛應用[29-31]。Eckel 等所研發的小型冷原子真空計的設計方案[32]如圖7 所示。其中,MOT 的冷卻光束用光纖引入,經原子芯片上的光柵衍射構成了束縛原子的激光場。

圖7 便攜式冷原子傳感器圖Fig.7 Structure of portable cold atom sensor

Barker[30]等演示了一個冷卻與捕獲7Li 原子的裝置,如圖8 所示,該裝置通過集成塞曼減速器提升了MOT 的原子裝載量。Nshii 等借助衍射光柵技術制作了俘獲原子數與普通MOT 相當的光柵芯片MOT[33]。此外,還有一部分研究集中在MOT 磁場結構方面的小型化改進。另外,一些研究小組已經采用了微米尺寸的導線型[34]和永磁型[35]表面原子芯片技術完成了冷原子的制備與操控。Salit 等還提出了將磁屏蔽系統集成到裝置上的設想[36],這將有助于實現小型化冷原子俘獲傳感MOT 裝置的長期穩定性。

圖8 GMOT 與塞曼線圈的組合Fig.8 Combination structure of GMOT and Seaman coil

6 磁場

原子冷卻的一個關鍵部件是用于產生四極磁場的線圈。圖9 為美國標準技術研究院(NIST)所建立的實驗室規模的量子真空標準設備,其所使用的線圈尺寸較大,并且需要額外的水冷設備[37]。

圖9 實驗室規模的量子真空傳感器及所使用的反亥姆霍茲線圈Fig.9 Laboratory-scale quantum vacuum sensors and anti-Helmholtz coils

因此,實現量子傳感器小型化不可避免地涉及到磁場線圈的小型化方案。將小型化的磁場線圈與GMOT 相結合,如圖10 所示,可以大幅度減小量子真空傳感器的尺寸。目前,在磁場線圈小型化方面已經有了一些解決方案[30,38]。

圖10 小型線圈與GMOT 的組合Fig.10 Combination structure of GMOT and small coil

如圖11 所示,NIST 所提出的小型化量子真空傳感器中,使用永磁體取代了反亥姆霍茲線圈來提供四極磁場[6]。這種設計雖然減小了系統的體積,但使用永磁體可能會導致金屬腔體磁化,從而對梯度磁場影響,并且永磁體可能會在高溫條件下損失磁性。

圖11 NIST 開發的小型化量子真空傳感器以及所用的永磁體Fig.11 Miniaturized quantum vacuum sensor developed at NIST and used permanent magnet

另一種具有前景的解決方案是所謂的線圈芯片[39,40]。如圖12 所示,這種方案通過在硅基體上沉積銅電路,并通過外加電流來產生磁場。由于芯片與冷原子團的距離很小,所需的梯度磁場很小,從而有效降低了線圈的功耗與尺寸。利用線圈芯片取代傳統的反亥姆霍茲線圈,有效地降低了MOT 的體積。

圖12 原子芯片結構示意圖Fig.12 Structure diagram of atom chip

7 結束語

量子真空測量在精度提升和量限拓展方面具有獨特優勢,經過不斷技術迭代升級,便攜小型化、芯片化是未來發展的主要趨勢。綜述了近年來冷原子量子真空傳感器在小型化方面所取得的一系列重要進展。除了文中所提到的相關進展,冷原子量子傳感器的小型化研究也在微型激光波長參考、極高真空封裝、極高真空維持裝置等方面也取得了重要進展。在未來,冷原子量子傳感器將繼續向小型化、集成化、高穩定性、適應惡劣工作環境等方向發展,支撐武器裝備、宇航科技能力提升,推進量子精密測量、真空科學與技術、原子物理學、深空探測等領域的發展。