CN102879915A - 用于冷原子系统的高分辨成像装置 - Google Patents

Abstract

一种用于冷原子系统的高分辨成像装置，该装置包括无序光晶格生成光路和成像光路，其特点在于所述的无序光晶格生成光路包括激光束，沿该激光束方向依次由第一透镜、第二透镜、扩散膜、反射镜和双色镜组成，所述的第一透镜和第二透镜组成扩束系统，所述的反射镜和双色镜与光束方向成45°；所述的成像光路包括成像照明光束，沿该成像照明光束方向依次由真空池、第三透镜、双色镜、第四透镜、CCD组成。本发明将激光散斑产生光路和成像光路组合起来，利用一个消像差透镜实现对冷原子团加载无序光晶格，并可以实现对原子团的高分辨率成像，具有结构简单，光路集成化程度高，占用空间少，调节方便等优点。

Description

用于冷原子系统的高分辨成像装置

技术领域

本发明涉及冷原子系统，特别是一种用于冷原子系统的高分辨成像装置。

背景技术

目前随着超冷原子制备技术以及光晶格技术的发展，利用超冷原子和光晶格技术进行量子模拟来研究凝聚态物理中的复杂量子问题成为了国际上研究的热门，例如利用其来研究超流、超导、局域化等问题。而为了研究这些问题需要给超冷原子团加载无序光晶格，即激光散斑，同时需要有高分辨率的成像系统对无序光晶格中原子进行拍照，从而观测原子的行为。

通常的超冷原子无序系统的成像光路和散斑光路是各自独立的，需要两个大数值孔径的透镜分别用来产生亚微米的激光散斑和实现亚微米分辨率的成像，这两个大数值孔径的透镜将占用真空池的两个通光面。通常的真空池的形状通常是长方体，通光面只有四个，因此如果两个通光面被占用了，那么要加入别的激光来对真空池中的原子进行操作将变得比较困难，影响了系统的后续扩展。另外由于采用了两个大数值孔径的透镜，这两个透镜与原子团的相对位置关系需要分别调节，这个调节过程也比较繁复。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种用于冷原子系统的高分辨成像装置，该装置将散斑光路和高分辨成像光路集合起来，只用一个大数值孔径的透镜，因此只占用一个真空池通光面，同时实现加载无序光晶格和高分辨成像，光路简单，由于只用一个大数值孔径的透镜，只需调节好这个透镜与原子团的相对位置，易于调节。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于冷原子系统的高分辨成像装置，该装置包括无序光晶格生成光路和成像光路，其特点在于所述的无序光晶格生成光路包括激光束，沿该激光束方向依次由第一透镜、第二透镜、扩散膜、反射镜和双色镜组成，所述的第一透镜和第二透镜组成扩束系统，所述的反射镜和双色镜与光束方向成45°；所述的成像光路包括成像照明光束，沿该成像照明光束方向依次由真空池、第三透镜、双色镜、第四透镜、CCD组成，所述的第三透镜和第四透镜的焦点重合，第三透镜的焦距为f，的焦距为F，第三透镜和第四透镜之间是间隔为F+f，所述的CCD位于所述的第四透镜的后焦面上，所述的扩散膜是一种透明的但厚度无序分布的膜状材料；

所述的激光束，经第一透镜和第二透镜组成的扩束系统扩束后再经所述的扩散膜调制，形成散斑光束，该散斑光束由反射镜和双色镜反射经第三透镜聚焦到所述的真空池中第三透镜的焦点，激光焦斑光强呈现散斑结构，处于所述的真空池散斑结构的冷原子团，在与冷原子团共振的所述的成像照明光束的照明下，产生的图样经所述的经第三透镜、双色镜、第四透镜后成像在所述的CCD上。

所述的散斑结构的散斑颗粒的大小由聚焦前激光光斑的直径和聚焦透镜的焦距决定： $\mathrm{\δ}\≈\frac{\mathrm{\λf}}{D}$

其中：f为第三透镜的焦距，δ为散斑颗粒的平均横向尺寸，D为所述的散斑光束聚焦前激光光斑的直径，λ为激光的波长。

所述的双色镜对所述的激光束全反射，对成像照明光束透射的平面镜。

本发明的技术效果：

本发明用于冷原子系统的高分辨成像装置，该装置包括无序光晶格生成光路和成像光路，两光路共用一个大数值孔径的透镜，产生亚微米的散斑颗粒的同时对原子团进行亚微米分辨率的成像，因此结构简单紧凑，只占用真空池的一个通光面，方便了添加别的激光束来对原子进行操作，有利于系统的后续扩展。与传统系统相比不需分别调节两个透镜，提高了调节的便利性。

附图说明

图1是本发明用于冷原子系统的高分辨成像装置光路示意图

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。

请参阅图1，图1是本发明用于冷原子系统的高分辨成像装置光路示意图。由图可见，本发明一种用于冷原子系统的高分辨成像装置，该装置包括无序光晶格生成光路和成像光路，所述的无序光晶格生成光路包括散斑光光源－激光束10，沿该激光束10方向依次由第一透镜1、第二透镜2、扩散膜3、反射镜4和双色镜5组成，所述的第一透镜1和第二透镜2组成扩束系统，所述的反射镜4和双色镜5与光束方向成45°；所述的成像光路包括照明光源－成像照明光束11，沿该成像照明光束11方向依次包括真空池9、第三透镜7、双色镜5、第四透镜6、CCD8，所述的第三透镜7和第四透镜6的焦点重合，第三透镜7的焦距为f，第四透镜6的焦距为F，第三透镜7和第四透镜6之间是间隔为F+f，所述的CCD 8位于所述的第四透镜6的后焦面上，所述的扩散膜3是一种透明的但厚度无序分布的膜状材料；

所述的激光束10经第一透镜1和第二透镜2组成的扩束系统扩束后，再经所述的扩散膜3调制，形成散斑光束，该散斑光束由反射镜4和双色镜5反射经第三透镜7聚焦到所述的真空池9中焦点，激光光强呈现散斑结构，处于所述的真空池9散斑结构的冷原子团，在与冷原子团共振的所述的成像照明光束11的照明下，产生的图样经所述的经第三透镜7、双色镜5、第四透镜6后成像在所述的CCD8上。

所述的无序光晶格生成光路和成像光路共用一个大数值孔径的消像差第三透镜7，从而可以实现较好的成像。

光路调节过程中可以调节反射镜4的角度，保证散斑光光源激光束10与第三透镜7的光轴平行，从而让激光束10汇聚于第三透镜7的焦点上。第三透镜7的焦点位置需要调到原子团所处的位置上。

所述的成像系统从照明光束11入射方向依次由真空池9、第三透镜7、第四透镜6以及CCD8组成。照明光束11是与所测原子团能级共振的平行激光束，可被所测原子吸收。第三透镜7和第四透镜6的焦点重合，CCD8的感光面处于第四透镜6的焦面上，这样整个系统组成一个成像系统实现对原子团的成像。

如果我们选择532nm的激光作为散斑光光源，780nm（对应铷87原子）的激光作为成像照明光，第三透镜7选择数值孔径为0.4的透镜，可以实现0.7微米的散斑颗粒并且同时可以实现相同量级分辨率的成像。

Claims (3)

1.一种用于冷原子系统的高分辨成像装置，该装置包括无序光晶格生成光路和成像光路，其特征在于所述的无序光晶格生成光路包括激光束（10），沿该激光束（10）方向依次由第一透镜（1）、第二透镜（2）、扩散膜（3）、反射镜（4）和双色镜（5）组成，所述的第一透镜（1）和第二透镜（2）组成扩束系统，所述的反射镜（4）和双色镜（5）与光束成45°；所述的成像光路包括成像照明光束（11），沿该成像照明光束（11）方向依次由真空池（9）、第三透镜（7）、双色镜（5）、第四透镜（6）、CCD（8）组成，所述的第三透镜（7）和第四透镜（6）的焦点重合，第三透镜（7）的焦距为f，的焦距为F，第三透镜（7）和第四透镜（6）之间是间隔为F+f，所述的CCD（8）位于所述的第四透镜（6）的后焦面上，所述的扩散膜（3）是一种透明的但厚度无序分布的膜状材料；

所述的激光束（10），经第一透镜（1）和第二透镜（2）组成的扩束系统扩束后再经所述的扩散膜（3）调制，形成散斑光束，该散斑光束由反射镜（4）和双色镜（5）反射经第三透镜（7）聚焦到所述的真空池（9）中焦点，激光光强呈现散斑结构，处于所述的真空池（9）散斑结构的冷原子团，在与冷原子团共振的所述的成像照明光束（11）的照明下，产生的图样经所述的经第三透镜（7）、双色镜（5）、第四透镜（6）后成像在所述的CCD（8）上。

2.根据权利要求1所述的高分辨成像装置，其特征在于所述的散斑结构的散斑颗粒的大小由聚焦前激光光斑的直径和聚焦透镜的焦距决定：

其中：f为第三透镜（7）的焦距，δ为散斑颗粒的平均横向尺寸，D为所述的散斑光束聚焦前激光光斑的直径，λ为激光的波长。

3.根据权利要求1所述的高分辨成像装置，其特征在于所述的双色镜（5）对所述的激光束（10）全反射，对成像照明光束（11）透射的平面镜。

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