成永軍,董 猛,孫雯君,吳翔民,張亞飛

(蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

1 引言

目前,有許多先進(jìn)技術(shù)與研究依賴于極高真空研究的發(fā)展,例如,航空航天與深空探測技術(shù)、引力波探測、粒子加速器、極紫外光刻技術(shù)、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(jì)末物理學(xué)發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域,徹底改變了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的能力,對整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。實(shí)際上,早在20 世紀(jì)80 年代,在堿金屬原子激光冷卻俘獲實(shí)驗(yàn)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(gè)問題反轉(zhuǎn)過來,根據(jù)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(shù)冷原子真空標(biāo)準(zhǔn)都是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備,包含大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及光學(xué)元件[6]。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械自由度多、使用及維護(hù)困難、便攜性較差,同時(shí)很難在極端動(dòng)態(tài)條件下保持高性能,在極高真空測量領(lǐng)域不能替代傳統(tǒng)的電離真空計(jì)[7]。在過去的十年中,研究人員們已經(jīng)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(jìn)展,重點(diǎn)關(guān)注了其中涉及的關(guān)鍵元件與技術(shù),并且對冷原子傳感器的發(fā)展進(jìn)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(shù)主要可以表現(xiàn)為對冷原子團(tuán)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(shù)目呈指數(shù)型衰減。

式中:N0——原子團(tuán)中的初始原子數(shù);t——時(shí)間;N——某一時(shí)刻原子團(tuán)中的原子數(shù);Γloss——某一勢阱深度下的原子團(tuán)的損失率。

進(jìn)一步地,Γloss=nσvr,其中n是參考?xì)怏w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(shí),同一碰撞體系的〈σvr〉不變,〈σvr〉也因此被稱為損失率系數(shù)。將原子碰撞理論與理想氣體狀態(tài)方程相結(jié)合,有

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

根據(jù)上述理論,冷原子真空計(jì)量中最關(guān)鍵的是冷原子團(tuán)的獲取以及觀測過程,這個(gè)過程依賴于磁光阱(MOT)的構(gòu)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(gòu)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(dòng)量,從而實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)的凝聚[8]。

圖1 傳統(tǒng)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(yīng)包括:

(1)光學(xué)系統(tǒng),調(diào)整激光的形狀與偏振狀態(tài),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(nèi)的真空度,以及減小原子源工作時(shí)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(tǒng)小型化的最新發(fā)展進(jìn)行綜述。

3 光學(xué)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)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(xué)元件。近年來,在光學(xué)元件小型化方面的研究已經(jīng)取得了重大成果,從而推動(dòng)了量子傳感器的相關(guān)發(fā)展。小型化光學(xué)元件的使用,可以提高量子傳感系統(tǒng)的便攜性、魯棒性和擴(kuò)展性[9]。在本節(jié)中,將重點(diǎn)介紹有利于量子傳感器小型化的光學(xué)元件的最新進(jìn)展。

3.1 激光器

由于原子冷卻激光在功率及線寬方面嚴(yán)格要求,限制了量子傳感器小型化的發(fā)展。在過去,原子冷卻囚禁實(shí)驗(yàn)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(gè)高效、低成本的解決方案,但為了嚴(yán)格保證原子冷卻激光所需的偏振狀態(tài)與頻率,ECDL 往往需要搭配大量的光學(xué)元件使用,阻礙了光學(xué)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)生激光所必須的反饋?zhàn)饔?而是通過折射率周期性變化的皺折結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)反饋[11]。DFB 不僅具有良好的性能且尺寸較小,還可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模運(yùn)轉(zhuǎn)[12]。

3.2 光子集成技術(shù)

用光子集成電路(PIC)替換離散光學(xué)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(dǎo)片的光子集成電路示意圖。其關(guān)鍵部件包括偏振旋轉(zhuǎn)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(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵研究是變跡光柵耦合技術(shù)。該技術(shù)旨在將光從平面波導(dǎo)衍射到自由空間,實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與自由空間的有效耦合,同時(shí)使相關(guān)光學(xué)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(jīng)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(tǒng)的六束MOT 以及小型化的光柵MOT 中運(yùn)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(nèi)存在堿金屬原子蒸氣的同時(shí)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(guān)重要。目前,對于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的量子真空標(biāo)準(zhǔn)而言,原子源由原子爐以及所附帶的離子泵構(gòu)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(fā)展。

微型原子蒸汽池(AVC)是解決上述問題的一個(gè)方案。Knapkiewicz 提供了一種微型原子蒸汽池的設(shè)計(jì)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(yīng)離子刻蝕或濕法刻蝕制成的硅基體組成,基體兩側(cè)覆蓋硼硅玻璃。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由光學(xué)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(shí),使用激光照射腔室內(nèi)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(shù)量可以通過調(diào)整激光的功率和照射時(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化,如圖4(d)所示。這種方案實(shí)現(xiàn)了在蒸汽池內(nèi)部集成壓力傳感/控制裝置,從而實(shí)現(xiàn)了對堿金屬蒸汽池內(nèi)部真空度的監(jiān)測與操控。

圖4 微型原子蒸汽池結(jié)構(gòu)圖[18,19]Fig.4 Structure of micro atomic vapor cell

5 磁光阱(MOT)

冷原子設(shè)備的體積較大是因?yàn)槠浒罅康墓鈱W(xué)元件,這些光學(xué)元件對于控制光學(xué)對準(zhǔn)、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(diǎn)。目前,已有許多研究人員從光學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā),提出了一些MOT 小型化或集成化方案。本節(jié)將重點(diǎn)介紹冷原子系統(tǒng)MOT 小型化的主要進(jìn)展。

5.1 金字塔MOT

MOT 小型化的一個(gè)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(chǎn)生原子冷卻所需的額外光束,從而使傳統(tǒng)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(xué)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(yùn)光組合成一束光。此后,依據(jù)該設(shè)計(jì)還發(fā)展出了具有不同光路和光學(xué)元件的圓錐型[22]和三棱錐型[23]的改進(jìn)方案。Pollock等根據(jù)硅片的微制造刻蝕技術(shù),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(tǒng)的尺寸,但其并非沒有缺陷。由于入射光和反射光之間產(chǎn)生的光學(xué)重疊體積比傳統(tǒng)六光束MOT 小得多,因此PMOT 所能裝載的原子數(shù)有限。此外,由于冷原子團(tuán)是在錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)被捕獲,因此不利于冷原子團(tuán)的成像和探測。解決上述問題的一個(gè)方式為增加反射角,從而使入射光與反射光重疊的區(qū)域位于反射鏡結(jié)構(gòu)上方,形成所謂的四面體MOT,從而產(chǎn)生原子成像所需的光路[25]。雖然四面體MOT 優(yōu)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(shù)有限,研究人員進(jìn)一步將反射鏡轉(zhuǎn)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(shù)制造[27],其原理如圖6 所示,入射光經(jīng)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(xué)重疊體積,從而可以裝載與傳統(tǒng)六束MOT 相當(dāng)量的原子[28]。GMOT 也因此作為冷原子系統(tǒng)小型化的一個(gè)成功案例得以廣泛應(yīng)用[29-31]。Eckel 等所研發(fā)的小型冷原子真空計(jì)的設(shè)計(jì)方案[32]如圖7 所示。其中,MOT 的冷卻光束用光纖引入,經(jīng)原子芯片上的光柵衍射構(gòu)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(gè)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(shù)制作了俘獲原子數(shù)與普通MOT 相當(dāng)?shù)墓鈻判酒琈OT[33]。此外,還有一部分研究集中在MOT 磁場結(jié)構(gòu)方面的小型化改進(jìn)。另外,一些研究小組已經(jīng)采用了微米尺寸的導(dǎo)線型[34]和永磁型[35]表面原子芯片技術(shù)完成了冷原子的制備與操控。Salit 等還提出了將磁屏蔽系統(tǒng)集成到裝置上的設(shè)想[36],這將有助于實(shí)現(xiàn)小型化冷原子俘獲傳感MOT 裝置的長期穩(wěn)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(gè)關(guān)鍵部件是用于產(chǎn)生四極磁場的線圈。圖9 為美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)所建立的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的量子真空標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,其所使用的線圈尺寸較大,并且需要額外的水冷設(shè)備[37]。

圖9 實(shí)驗(yàn)室規(guī)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(shí)現(xiàn)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(jié)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(jīng)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(shè)計(jì)雖然減小了系統(tǒng)的體積,但使用永磁體可能會(huì)導(dǎo)致金屬腔體磁化,從而對梯度磁場影響,并且永磁體可能會(huì)在高溫條件下?lián)p失磁性。

圖11 NIST 開發(fā)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(chǎn)生磁場。由于芯片與冷原子團(tuán)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(tǒng)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure diagram of atom chip

7 結(jié)束語

量子真空測量在精度提升和量限拓展方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,經(jīng)過不斷技術(shù)迭代升級,便攜小型化、芯片化是未來發(fā)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(jìn)展。除了文中所提到的相關(guān)進(jìn)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(jìn)展。在未來,冷原子量子傳感器將繼續(xù)向小型化、集成化、高穩(wěn)定性、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等方向發(fā)展,支撐武器裝備、宇航科技能力提升,推進(jìn)量子精密測量、真空科學(xué)與技術(shù)、原子物理學(xué)、深空探測等領(lǐng)域的發(fā)展。