1.本发明涉及磁光阱技术领域，具体涉及一种用于单束光入射的三维磁光阱系统的平面光栅以及包含该平面光栅的三维磁光阱系统。
背景技术：
2.三维磁光阱是实现原子冷却陷俘的基本手段，是冷原子干涉系统的必备单元。现有三维磁光阱结构需要六束激光通过光学窗口进行三维光学输入，并保证两两对射，三轴正交的效果，结构复杂，难以小型化，使其在集成原子芯片应用中受限(芯片阻碍了空间三维通光路径)，因此需提出一种新型磁光阱设计和结构。
技术实现要素：
3.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于单束光入射的三维磁光阱系统的平面光栅以及包含该平面光栅的三维磁光阱系统，以解决现有磁光阱系统采用六束激光进行两两对射，六束光之间存在波动互扰、系统结构复杂、难以小型化等难题，可应用小型原子干涉陀螺、重力仪等量子精密测量系统和未来集成原子芯片系统中。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
5.一方面，本发明提供一种平面光栅，包括三个刻蚀方向不同的区域：刻蚀区域一、刻蚀区域二和刻蚀区域三，所述刻蚀区域一、刻蚀区域二和刻蚀区域三的光栅结构参数完全一致，三个刻蚀区域的光栅刻蚀方向成三角阵列且两两之间夹角为60
°
。
6.进一步的，入射光沿平面光栅法线方向入射平面光栅，平面光栅的光栅周期小于2倍入射光中心波长。
7.进一步的，所述平面光栅的占空比为0.5:0.5，光栅槽深为入射光中心波长的1/4。
8.进一步的，入射光沿z轴负方向垂直入射到平面光栅表面时，经平面光栅的三个刻蚀区域衍射后，三束一级衍射光和分别与z轴成衍射角θ出射；在xyz三维空间坐标中，波矢和分别满足分别满足分别满足其中在xy平面内投影的夹角互为120
°
；所述xy平面为平面光栅所在平面，z轴正方向为平面光栅法线方向。
9.进一步的，所述刻蚀区域一、刻蚀区域二和刻蚀区域三的光栅结构包括：底部硅基底层，位于硅基底层上的光栅结构，位于硅基底层上和光栅结构上的粘合层，位于硅基底层、光栅结构和粘合层上的高反射率金属膜层，最顶层为防止金属膜层氧化的金属氧化物层。
10.另一方面，本发明还提供一种单束光入射的三维磁光阱系统，所述三维磁光阱系统包括上述的平面光栅，所述平面光栅的入射光为单束光。。
11.本发明的有益效果是：本发明所提出一种新型磁光阱设计和结构，光通道只限一个窗口，适用于集成原子芯片和其他真空系统。
12.利用单束冷却光垂直入射到平面光栅上，产生的三束一级衍射光与入射光形成四束冷却光光强平衡构型，只需要一个光通道接入即可为三维磁光阱提供完整的光结构需求，配合反亥姆霍兹线圈形成的四级磁场，有效实现原子冷却陷俘。利用平面光栅的单束光入射的三维磁光阱技术具有如下优势：单束圆偏振输入光束，使系统对准变简单；光栅平面结构特点体积小、有利于集成，光栅可将三维光学晶格引入芯片，扩展其功能；囚禁原子团在光栅上方，易于操控；每束俘获光只通过原子云一次，减小吸收引起的强度不平衡；光栅属无源器件，系统构型稳定，原子囚禁稳定性只取决于单束冷却光波动，其明显优于受六束光波动互扰的传统磁光阱结构。用于单束光入射的三维磁光阱系统的平面光栅可应用于现有的小型原子干涉陀螺、重力仪等量子精密测量系统中，也为未来的原子芯片系统研制奠定技术基础。
附图说明
13.图1为本发明的平面光栅结构示意图；
14.图2为本发明中平面光栅的剖面结构示意图；
15.图3为本发明的一束光垂直入射到平面光栅上产生的三束衍射光与对应波矢的空间示意图；
16.图4为本发明中入射光与光栅产生的衍射光光束宽度变化示意图；
17.图5为本发明中入射光与衍射光的光束重叠区域二维示意图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
19.如图1所示，是本发明一种用于单束光入射的三维磁光阱系统的平面光栅一个基本实例，包括三个刻蚀方向不同的光栅区域，刻蚀区域一、刻蚀区域二和刻蚀区域三，三个方向光栅形成三角阵列，两两之间夹角为60
°
。光栅对应的入射光中心波长范围为780nm
±
200nm。
20.三维磁光阱中对原子囚禁起作用的是三个向中心方向衍射的一级衍射光束，为将能量集中在一级衍射光束上，需要抑制除零级外的其它高阶次衍射光束。
21.根据光栅衍射bragg方程
22.dsinθ＝mλ
23.其中，θ为衍射角，d为光栅周期。二级及以上高级次衍射光束要被抑制需满足|m|＜2，即m＝
±
1，由上式可得
24.d＜2λ
25.即光栅周期小于2倍中心波长，可保证垂直入射光通过光栅衍射后除零级光和正负一级衍射光以外的高级次衍射光都被抑制。当中心波长λ＝780nm时，线型光栅周期d＜1560nm，对应衍射角θ＞30
°
。零级光与入射光偏振方向相反，对原子囚禁冷却起反作用，要尽量降低零级光反射率。根据标量衍射理论，当光栅槽深为1/4波长，理论上零级光效率接
近于零。三维磁光阱系统中用的冷却光光源为理想圆偏光，光栅是偏振敏感器件，s和p偏振光的衍射效率不一致，圆偏振冷却光经光栅衍射后产生的衍射光束圆偏度会有所下降，采用槽形光栅结构，光栅占空比为0.5:0.5，保证入射光为圆偏光时，一级衍射光中s光和p光的衍射效率一致性，衍射光圆偏度可达到0.95以上。
26.如图2所示，本发明实施例中光栅周期为1200nm，占空比为0.5:0.5，光栅线宽为600nm，光栅槽深为195nm，对应光栅一级衍射角为40.5
°
，刻蚀区域一、刻蚀区域二和刻蚀区域三光栅结构参数完全一致，刻蚀区域圆的直径为20mm。一束圆偏光垂直入射到光栅上时，一级衍射光中s光和p光的衍射效率偏差小于5％，产生衍射光圆偏度达到0.98以上。
27.三个不同刻蚀方向光栅区域的光栅结构，如图2所示，包括底部硅基底层，厚度为3mm；位于硅基底层上的光栅结构，槽深为195nm；位于硅基底层上和光栅结构上的粘合层厚度为10nm，材料为铬cr，其主要是增强金属膜层的附着力和牢固度；位于硅基底层、光栅结构和粘合层上的高反射率金属膜层厚度为100nm，材料为金au，其作用是提高衍射光束的衍射效率；最顶层是防止金属膜层氧化的金属氧化物层厚度为20nm，材料为氧化铝al2o3，其目的是在光栅的金属膜层表面和空气之间引入防腐蚀膜层。
28.一束入射光沿z轴方向垂直入射到光栅表面时，经三个光栅区域衍射产生三束一级衍射光，分别与z轴成一定衍射角出射。由于刻蚀区域一、刻蚀区域二和刻蚀区域三光栅结构参数完全一致，因此经三个光栅区域衍射产生的三束一级衍射光对应的衍射角、一级衍射效率、衍射光圆偏度及零级光效率均相等，各一级衍射光与入射光所提供的三维方向的散射力投影到三维空间上满足光平衡条件，使原子达到受力平衡，配合反亥姆霍兹线圈形成的四级磁场，实现原子三维冷却与陷俘。
29.具体的，如图3和图4所示，当一束入射光沿z轴负方向垂直入射到光栅表面时，经三个光栅区域衍射后，三束一级衍射光和分别与z轴成衍射角40.5
°
出射。在xyz三维空间坐标中(xy平面为平面光栅所在平面，z轴正方向为平面光栅法线方向)，波矢和分别满足分别满足分别满足其中θ＝40.5
°
，在xy平面内投影的夹角互为120
°
。
30.入射光沿z轴负方向垂直入射到光栅表面时，入射光三束一级衍射光和需满足光学粘胶平衡条件：
[0031][0032]
即对应光强与波矢乘积和为零，ij(j＝0,1,2,3)分别对应入射光与各一级衍射光光强。根据衍射光光矢量在三维方向的投影分解，水平方向上仅有衍射光矢量的投影分解，三束衍射光光强相等，波矢矢量在x和y方向上投影分量对称，水平方向满足光平衡条件。垂直方向有沿z轴正方向的三束衍射光矢量的投影分量和沿z轴负方向的入射光矢量投影，垂直入射光束强度i0和一阶衍射光束强度i1之间的关系分别由相应的光束宽度wi和wd决定，一阶衍射效率η1：
[0033]
i1/i0＝η1wi/wd＝η1secθ
[0034]
其中，θ由布拉格条件下得到的一阶衍射角，满足α＝arcsin(λ/d)。secθ＝1/cosθ是指光以θ角衍射后，一级衍射光束截面压窄到入射光束的cosθ倍，光强增加1/cosθ倍，光功率密度增大。本实施例中衍射光光束与z轴成40.5
°
角出射时，光束截面被压窄为入射光束的cos40.5
°
，光强增加1/cos40.5
°
。
[0035]
由此可得沿z轴方向光强满足光学粘胶平衡条件为即：
[0036][0037]
其中，三束衍射光的光强相同，均为i1＝η1i0/cosθ，即：i1＝1/3i0secθ。
[0038]
沿z轴正方向的三束衍射光的衍射效率均为1/3,保证了沿z轴正方向上三束衍射光光强与波矢分量乘积和与沿z轴负方向上入射光光强与波矢乘积相等，垂直方向也满足光平衡条件。即：三束衍射光束和入射光沿x、y、z方向上投影分量满足：
[0039]
x方向：
[0040]
y方向：
[0041]
z方向：
[0042]
三维方向光粘胶平衡，使原子在三维空间上达到受力平衡，配合反亥姆霍兹线圈形成的四级磁场，实现原子三维冷却与陷俘。
[0043]
当入射光垂直入射到光栅上时，产生的三束衍射光的衍射角随光栅周期变化，入射光与三束衍射光在空间中的重叠区域即光束重叠体积v与囚禁原子数目n满足关系式
[0044]
n＝4
×
10
7v1.2
[0045]
由上式可知，重叠体积越大囚禁的原子数目就越多。入射光中心波长为780nm，当光栅周期在900nm～1400nm之间变化时，衍射角从60
°
～33.85
°
逐渐减小，光束重叠体积随衍射角减小而增加；入射光束直径为20mm时，重叠体积从60mm3～283mm3逐渐增大，对应囚禁原子数从2
×
107～1.4
×
108逐渐增加。
[0046]
如图5所示，入射光中心波长780nm，当光栅周期为1200nm，入射光束直径为20mm时，衍射角为40.5
°
，光束重叠体积为200mm3，理论上囚禁原子数可达9
×
107。
[0047]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。