CN101806946B - 光学扩束准直系统 - Google Patents

Abstract

一种用于磁光阱、光阱及其它结构冷原子物理实验系统的光学扩束准直系统，包括激光导入系统、扩束准直系统和探测系统并由一支架连接而成，本发明为冷原子物理系统模块化设计提供了基础，增加了冷原子物理系统的可调节性、可扩展性和探测性，具有结构简单，体积小巧，安装和调节方便，而且调节精度高，稳定性好的优点。

Description

光学扩束准直系统

技术领域

本发明涉及磁光阱、光阱及其它结构冷原子物理实验系统，特别是一种用于用磁光阱、光阱及其它利用激光获得大量数目的稳定的冷原子团并实时监控激光强度和稳定性的光学扩束准直系统。

背景技术

在冷原子物理中特别是在冷原子频标中，通常需要将大量的原子俘获、囚禁并冷却下来进行相关物理，以获得更长的作用时间，更稳定、准确的实验数据。冷原子物理涉及到原子精细和能级，地磁场会引起原子能级发生变化。

根据激光冷却理论，常见激光冷却原子的方法以光的偏振态不同分为线⊥线偏振梯度冷却和σ⁺-σ^-偏振梯度冷却两种(参见：J.Dalibard andC.Cohen-Tannoudji，J.Opt.Soc.Am.B，Vol.6，No.11，November1989)。

从俘获原子的作用力方式上分为两种磁光阱和光学阱，一种是用电磁场和激光共同作用的磁光阱，这种方法可以获得大量的高原子数密度的原子团，并且可以用补偿磁场来抵消地磁场。另一种是用激光俘获并冷却原子的全光学阱，由于没有磁场线圈，要消除地磁场，通常是用几层磁屏蔽桶将系统屏蔽起来。

在以前的系统中，通常有两种做法，一是将激光整形扩束，然后从自由空间进入到系统中，由于这种系统体积大，不利于屏蔽地磁场，一般用于磁光阱；另一种是通过固定的光纤调节头垂直入射，再扩束后进入系统，一般用于光学阱；这两种方法没有固定的机械结构和形式，不利于系统的标准化、小型化设计和精确调节，也不利于原子系统的扩展，并且不能对系统冷却光强直接进行实时监控，不利于实验的控制。

发明内容

为了克服上述现有系统的缺陷，本发明提供了一种用于磁光阱、光阱及其它结构冷原子物理实验系统的光学扩束准直系统。该系统为冷原子物理系统模块化设计提供了基础，增加了冷原子物理系统的可调节性、可扩展性和探测性，具有结构简单，体积小巧，安装和调节方便，而且调节精度高，稳定性好。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于磁光阱、光阱及其它结构冷原子物理实验系统的光学扩束准直系统，包括激光导入系统、扩束准直系统和探测系统并由一支架连接而成，其特征在于：

所述的激光导入系统，自上而下由依次的光纤输入头、六维调整架和分束器构成，所述的光纤输入头安装在所述的六维调整架上；

所述的扩束准直系统位于所述的分束器的一侧，沿该分束器的反射光路，由依次的扩束的凹透镜、准直凸透镜组和可变光阑组成，所述的准直凸透镜组由第一凸透镜和第二凸透镜构成；

所述的探测系统由光电管和显示器组成，所述的光电管位于所述的分束器的另一侧，即与所述的反射光路相反的方向的一侧，所述的光电管通过光电管座固定在所述的支架上，所述的光电管通过接线与所述的显示器相连；

传输激光的光纤插入所述的光纤输入头中，通过调节所述的六维调整架，调节激光的入射角度和入射点的空间位置，使激光入射点在分束器的反射面所成的像与所述的凸透镜组、凹透镜组成的光学系统的焦点重合，并位于所述的光电管的感光面上。

所述的支架上与磁光阱、光阱的原子俘获区连接的一端沿所述的支架的纵向开设有多条磁路隔离缝。

在所述的支架上所述的多条磁路隔离缝的圆筒体外固定有一个磁场线圈。

在所述的可变光阑上贴设有λ/2波片(5)

本发明的技术效果如下：

1、本发明增设了可调节激光入射点的六维调整架和探测系统，可准确地调节激光入射点的位置，可实时监控系统的工作状态，提高了系统性能。

2、本发明采用倒T形设计，使得整体更加紧凑，大大缩小的磁光阱/光阱系统占用空间，更有利于整个冷原子系统磁屏蔽，同时提高冷原子系统的稳定性。

3、本发明光学扩束准直系统的标准化，使得整个冷却原子实验系统的标准化、小型化成为可能，使冷原子的俘获可方便地由一维系统扩展到两维、三维系统。

总之，本发明为冷原子物理系统模块化设计提供了基础，增加了冷原子物理系统的可调节性、可扩展性和探测性，具有结构简单，体积小巧，安装和调节方便，而且调节精度高，稳定性好。

附图说明

图1是本发明实施例1光学扩束准直系统的结构示意图。

图2是本发明实施例2含磁场线圈的光学扩束准直系统的结构示意图。

图3是本发明光学扩束准直系统中，激光入射点与扩束准直系统焦点的关系图。

图4是本发明光学扩束准直系统在一维冷原子俘获、囚禁、冷却的光阱装置中的使用结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明光学扩束准直系统的结构示意图。也是本发明实施例1的结构示意图，由图可见，本发明光学扩束准直系统，包括激光导入系统、扩束准直系统和探测系统并由一支架14连接而成：

所述的激光导入系统，自上而下由依次的光纤输入头2、六维调整架3和分束器7构成，所述的光纤输入头2安装在所述的六维调整架3上；

所述的扩束准直系统位于所述的分束器7的一侧，沿该分束器7的反射光路，由依次的扩束的凹透镜8、准直凸透镜组和可变光阑13组成，所述的准直凸透镜组由第一凸透镜10和第二凸透镜11构成；

所述的探测系统由光电管6和显示器17组成，所述的光电管6位于所述的分束器7的另一侧，即与所述的反射光路相反的方向的一侧，所述的光电管6通过光电管座20固定在所述的支架14上，所述的光电管6通过接线18与所述的显示器17相连；

传输激光的光纤1插入所述的光纤输入头2中，通过调节所述的六维调整架3，调节激光的入射角度和入射点的空间位置，使激光入射点R在分束器7的分光面所成的像R’与所述的凸透镜组、凹透镜8组成的光学系统的焦点S重合，并位于所述的光电管6的感光面上。请参见图3。

所述的支架14上与磁光阱、光阱的原子俘获区连接的一端沿所述的支架14的纵向开设有多条隔离缝19。

本发明的实施例2，参见图2，图2是本发明实施例2含磁场线圈的光学扩束准直系统的结构示意图。实施例2与实施例1的唯一区别是在所述的支架14上所述的多条隔离缝19的圆筒体外固定有一个磁场线圈16。是专供磁光阱使用的。

所述的光学扩束准直系统，在磁光阱/光阱中安装使用中，有时在所述的可变光阑13上还要贴设一块λ/2波片5。

图4是本发明光学扩束准直系统在一维磁光阱/光阱(冷原子俘获、囚禁、冷却的光阱)中使用的结构示意图。

一维的磁光阱/光阱由一组扩束准直系统和一个原子俘获区构成，如图1所示，一组扩束准直系统，如S1、S2，由螺钉固定在原子俘获区的两个相对位置的真空窗口上，如X维度的X1、X2。实际可根据需要分别在Z1、Z2、Y1和与Y1相对的真空窗口上装上扩束准直系统，正交扩展至三维。光纤1旋入到光纤接入头2中，参见图1，将光纤接入头2用螺钉固定在六维入射调整架上。所述六维入射调整架3用螺钉固定于支架14上，可调节光纤1入射光角度及入射点的空间位置，凹透镜8由与支架配套设计的第一压环9固定，第一凸透镜10和第二凸透镜11用垫圈12隔开，由第二压环15固定在支架上。分束器7反射面与透镜组光轴成45°，粘合于支架14上。可调光阑13由支头螺钉固定在支架14，其大小根据需要可调节。光电管6粘合在光电管座4上，光电管座由螺钉固定于支架上，光电管6和显示屏17之间由导线18连接。整个磁光阱或光阱系统由螺钉固定于原子俘获区上。所有螺钉均为金属钛螺钉。

磁光阱或光阱俘获、囚禁、冷却原子都需要激光与原子相互作用，但实现磁光阱俘获原子需要有磁场作用，而光阱是纯光学作用，不需要磁场。根据具体需要，选择磁光阱扩束准直系统或光阱扩束准直系统中的一种。两种系统结构上略有区别：

磁光阱：磁光阱每一个维度由一组扩束准直系统和原子俘获区组成，如图4所示。若是三个维度则需要一组带线圈扩束准直系统(图3)和两组不带线圈的扩束准直系统(图2)构成，三组系统中轴线成正交安装。所述带线圈扩束准直系统，包括支架14，准直系统，扩束系统，探测系统。所述的准直系统包括光纤输入头2、六维入射调整架3、分束器7；通过调整所述六维调整架3调节入射光的角度和入射点的空间位置。所述的扩束系统由焦距为-17mm的凹透镜8、垫圈9、凸透镜组、垫圈12、可变光阑13共同组成。所述的凸透镜组由两个非球面焦距分别为74mm凸透镜10和130mm的凸透镜11和垫圈12组成，这是为了消除球差。所述的探测系统由分束器7、光电管6、光电管座4、接线18和显示器17组成。所述的系统支架14与原子俘获区连接处开有小缝19，用来切断支架中的磁力线。带线圈扩束准直系统是在所述不带线圈的扩束准直系统基础上增加了磁场线圈16构成。根据需要选择扩束准直系统按上述位置安装。

光阱：与磁光阱结构类似，区别在于三组扩束准直系统均可选用不带线圈的扩束准直系统。

在本发明中，光阱扩束准直系统也可以使用磁光阱的扩束准直系统，使用时磁场线圈16不通电。

本发明的工作过程如下：

以线⊥线偏振梯度冷却为例，线⊥线偏振梯度冷却中所用的三组激光是线偏振光，根据需要选用三个相应激光波长的λ/2波片5粘合分别在粘合在三个不同维度的光阑上。

线⊥线偏振梯度冷却工作过程，一束线具有特定偏振角度的激光从光纤1由光纤接入头2入射到系统，入射后经过分束器7反射，入射到凹透镜，发散后进入到凸透镜组，经过凸透镜组折射后激光束光斑半径增大。

通过调节六维入射调整架，调节激光入射的角度和入射点的空间位置，如图三所示，使激光入射点R在分束器7的反射面所成的像R’与凸透镜组、凹透镜8组成的光学系统的焦点S重合，使得激光经过扩束以后仍然是平行光束。激光被扩束以后，根据实验需要选择适当大小的可变光阑13，激光经过可变光阑13以后光斑大小变为可变光阑通光孔大小。设此时激光偏振方向为水平，通过λ/2波片5后，偏振方向变为与所述入射光偏振方向垂直，再依次通过与之相对系统的可变光阑，凸透镜组、凹透镜，由于激光偏振方向与所述入射光垂直，再次到分束器7时，激光束由原来的反射变为透射，汇聚到探测系统的光电管6上，激光强度信息显示在显示屏17中。

与之相对的另一系统入射到原子俘获区的激光，由于没有经过波片5，依然保持水平偏振方向，形成一对偏振方向正交的激光对，经过俘获区后，经过波片5、扩束系统、透射经过分束器7，汇聚到光电管6。所述一组系统与另外两组系统出来的激光对一起，形成三组相互正交的线⊥线激光对。在所述一组具有磁场线圈16的系统中，给磁场线圈16通上相同大小，方向相反的电流，形成磁势阱与所述三组线⊥线激光共同对原子进行俘获、囚禁、冷却。

σ⁺-σ^-偏振梯度冷却与线⊥线偏振梯度冷却原理不同，但工作过程类似。

Claims (4)

1.一种用于磁光阱、光阱及其它结构冷原子物理实验系统的光学扩束准直系统，包括激光导入系统、扩束准直系统和探测系统并由一支架(14)连接而成，其特征在于：

所述的激光导入系统，自上而下由依次的光纤输入头(2)、六维调整架(3)和分束器(7)构成，所述的光纤输入头(2)安装在所述的六维调整架(3)上；

所述的扩束准直系统位于所述的分束器(7)的一侧，沿该分束器(7)的反射光路，由依次的扩束的凹透镜(8)、准直凸透镜组和可变光阑(13)组成，所述的准直凸透镜组由第一凸透镜(10)和第二凸透镜(11)构成；

所述的探测系统由光电管(6)和显示器(17)组成，所述的光电管(6)位于所述的分束器(7)的另一侧，即与所述的反射光路相反的方向的一侧，所述的光电管(6)通过光电管座(20)固定在所述的支架(14)上，所述的光电管(6)通过接线(18)与所述的显示器(17)相连；

传输激光的光纤(1)插入所述的光纤输入头(2)中，通过调节所述的六维调整架(3)，调节激光的入射角度和入射点的空间位置，使激光入射点(R)相对于所述的分束器(7)的反射面所成的虚像(R’)与所述的准直凸透镜组、凹透镜(8)组成的光学系统的焦点(S)重合，并位于所述的光电管(6)的感光面上。

2.根据权利要求1所述的光学扩束准直系统，其特征在于：所述的支架(14)上与磁光阱、光阱的原子俘获区连接的一端沿所述的支架(14)的纵向开设有多条隔离缝(19)。

3.根据权利要求2所述的光学扩束准直系统，其特征在于：在所述的支架(14)上所述的多条隔离缝(19)的圆筒体外固定有一个磁场线圈(16)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光学扩束准直系统，其特征在于：在所述的可变光阑(13)上贴有一块λ/2波片(5)。

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