Three-Dimensional Cooling of an Atom-Beam Source for High-Contrast Atom Interferometry

物理 原子物理学 Atom(片上系统) 激光冷却 梁(结构) 原子束 共振荧光 拉曼冷却 共振(粒子物理) 铷 光学 荧光 拉曼光谱 材料科学 激光器 拉曼散射 相干反斯托克斯拉曼光谱 钾 计算机科学 冶金 嵌入式系统
作者
Jonathan Kwolek,Charles Fancher,Mark Bashkansky,Adam T. Black
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:13 (4) 被引量:18
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.13.044057
摘要

We present a compact, two-stage atomic beam source that produces a continuous, narrow, collimated, and high-flux beam of rubidium atoms with sub-Doppler temperatures in three dimensions, which features very low emission of near-resonance fluorescence along the atomic trajectory. The atom-beam source originates in a pushed two-dimensional magneto-optical trap ($2{\mathrm{D}}^{+}$ MOT) feeding a slightly off-axis three-dimensional moving optical-molasses stage that continuously cools and redirects the atom beam. The capture velocity of the moving optical molasses is deliberately chosen to be low, approximately $3\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\mathrm{m}/\mathrm{s}$, to reduce fluorescence, and the cooling light is detuned by several atomic linewidths from resonance to reduce the absorption cross section of cooling-induced fluorescence. Near-resonance light from the $2{\mathrm{D}}^{+}$ MOT and the push beam does not propagate to the output atomic trajectory due to a ${10}^{\ensuremath{\circ}}$ bend in the atomic trajectory. The atomic beam emitted from the two-stage source has a flux up to $1.6(3)\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{9}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\mathrm{atoms}/\mathrm{s}$, with an optimized temperature of $15.0(2)\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\ensuremath{\mu}\mathrm{K}$. We employ continuous Raman-Ramsey interference measurements at the atom-beam output to study the sources of decoherence in the presence of continuous cooling, and demonstrate that the atom-beam source effectively preserves high fringe contrast even during cooling. This cold-atom-beam source is appropriate for use in atom interferometers and clocks, where continuous operation eliminates dead time, the slow atom-beam velocity (6--16 m/s) improves sensitivity, the narrow 3D velocity distribution improves fringe contrast, and the low reabsorption of scattered light mitigates decoherence caused by the continuous cooling process.
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