CN103558197B - 一种冷原子数检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷原子数检测装置，包括第一探测器、第二平凸透镜、第一平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第二探测器、反射镜、转接光筒、光学狭缝、扩束光筒、扩束透镜、1/4波片、第一偏振分束镜、1/2波片、第二偏振分束镜、探测腔；本发明结构简单，操控方便，可实现探测器位置的三维调节，利于冷原子荧光信号的检测；本发明模块化设计，可方便地用于不同检测系统的冷原子数检测；本发明采用大口径、短焦距透镜组合双向检测，荧光收集效率高，提高了信号的信噪比。

Description

一种冷原子数检测装置

技术领域

本发明涉及一种冷原子数检测装置，属于原子光学检测技术领域。

背景技术

近三十年来，随着激光冷却和陷俘原子技术的发展，基于三维磁光阱技术可以直接从中性原子蒸汽中俘获并囚禁冷原子团，然后利用磁导引或不平衡光压等手段得到低速和高通量的冷原子束流。和热原子束相比，冷原子束的速度更小，其相应的德布罗意波长更大，在原子干涉中可以获得更大的灵敏度，因此冷原子束在原子频标，精密测量，惯性导航及玻色爱因斯坦凝聚等领域得到了广泛的应用。

当用一束频率和原子跃迁共振的激光在冷原子束传播方向的垂直方向上进行照射时，原子将从基态受激跃迁到激发态，由于自发辐射作用，处于激发态的原子向空间辐射荧光回到基态。通过在激光和原子束平面的垂直方向上放置荧光检测装置，将荧光聚集并成像到一个快速响应的光电探测器上，然后经过后续的信号放大和处理，便可以得到冷原子束的通量、速度分布及发散角等特性参数。

一般的荧光检测装置由多个透镜组合而成，通过将透镜安装在合适的位置上，然后从原子束的垂直方向一侧收集荧光。由于透镜较多，使得整个光路结构比较复杂，不易调节，而且通过多个透镜后会损失一部分荧光，降低探测器收集到的信号信噪比。此外，探测器的位置通常是固定或者不能多维调节的，从而很难找到荧光最强的位置，降低了检测精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种简单实用、便于调节的冷原子数检测装置。

一种冷原子数检测装置，包括第一法兰、第一精密螺杆、第二精密螺杆、第一探测器安装板、第一探测器、第一调节筒、第一镜筒连接筒、第二透镜支座、第二平凸透镜、第二透镜压紧片、第一透镜压紧片、第一平凸透镜、第一透镜支座、第一连接板、第一石英玻璃窗、第四连接板、第四石英玻璃窗、第二连接板、第二石英玻璃窗、第三连接板、第三石英玻璃窗、第三透镜支座、第三平凸透镜、第三透镜压紧片、第四透镜压紧片、第四平凸透镜、第四透镜支座、第二调节筒、第二镜筒连接筒、第二探测器、第二探测器安装板、第三精密螺杆、第四精密螺杆、第二法兰、连接支架、反射镜、反射镜镜架、第五精密螺杆、转接光筒、光学狭缝、第六精密螺杆、扩束光筒、扩束透镜、1/4波片、第一偏振分束镜、1/2波片、第二偏振分束镜、第三法兰、探测腔；

第一连接板、第二连接板、第三连接板、第四连接板均为中间设有通孔结构；

探测腔上、下、左、右表面分别设有第一石英玻璃窗、第二石英玻璃窗、第三石英玻璃窗、第四石英玻璃窗；

扩束光筒一端连接光学狭缝，另一端设有1/4波片，扩束透镜位于扩束光筒内，扩束透镜位于1/4波片的左侧，第一偏振分束镜固定在1/4波片的右侧，1/2波片位于第一偏振分束镜下侧，第二偏振分束镜固定在1/2波片下侧；

光学狭缝的中心设有宽度可调的狭缝，光学狭缝另一侧固定连接转接光筒一端；转接光筒的另一端与第四连接板相连，第四连接板固定在探测腔的右表面；

反射镜安装在反射镜镜架上，反射镜能够调节反射角度，反射镜通过连接支架连接第三连接板，第三连接板与探测腔连接，反射镜位于第四石英玻璃窗的左侧，表面镀有增反膜；

在探测腔的上表面和下表面方向分别安装有荧光收集透镜组，上下为对称结构；

在上表面的荧光收集透镜组合中，第一镜筒连接筒一端通过第一连接板和探测腔上端相连接，另外一端设有螺纹，与第一调节筒相互耦合；

第一镜筒连接筒内部设有第一透镜支座和第二透镜支座，第一透镜支座位于靠近探测腔一端，第一平凸透镜固定在第一透镜支座上，第二平凸透镜固定在第二透镜支座上，第一平凸透镜的平面向下，凸面向上，第二平凸透镜的凸面向下，平面向下；

第一探测器安装在第一探测器安装板上，第一探测器安装板位于第一调节筒的顶端；

在下表面的荧光收集透镜组合中，第二镜筒连接筒一端通过第二连接板和探测腔下端相连接，另外一端设有螺纹，与第二调节筒相互耦合；

第二镜筒连接筒内部设有第三透镜支座和第四透镜支座，第三透镜支座位于靠近探测腔一端，第三平凸透镜固定在第三透镜支座上，第四平凸透镜固定在第四透镜支座上，第三平凸透镜的平面向上，凸面向下，第四平凸透镜的凸面向上，平面向下；

第二探测器安装在第二探测器安装板上，第二探测器安装板位于第二调节筒的底端。

本发明的优点在于：

（1）结构简单，操控方便；

（2）可实现探测器位置的三维调节，利于冷原子荧光信号的检测；

（3）模块化设计，可方便地用于不同检测系统的冷原子数检测；

（4）采用大口径、短焦距透镜组合双向检测，荧光收集效率高，提高了信号的信噪

附图说明

图1是本发明冷原子数检测装置的剖面结构示意图。

图中：

1、第一内六角螺钉2、第二内六角螺钉3、第一法兰

4、第一精密螺杆5、第二精密螺杆6、第一探测器安装板

7、第一探测器8、第一调节筒9、第一镜筒连接筒

10、第二透镜支座11、第二平凸透镜12、第二透镜压紧片

13、第一透镜压紧片14、第一平凸透镜15、第一透镜支座

16、第一连接板17、第一石英玻璃窗18、第四连接板

19、第四石英玻璃窗20、第二连接板21、第二石英玻璃窗

22、第三连接板23、第三石英玻璃窗24、第三透镜支座

25、第三平凸透镜26、第三透镜压紧片27、第四透镜压紧片

28、第四平凸透镜29、第四透镜支座30、第二调节筒

31、第二镜筒连接筒32、第二探测器33、第二探测器安装板

34、第三精密螺杆35、第四精密螺杆36、第二法兰

37、第三内六角螺钉38、第四内六角螺钉39、连接支架

40、反射镜41、反射镜镜架42、第五精密螺杆

43、第五内六角螺钉44、第六内六角螺钉45、第七内六角螺钉

46、转接光筒47、第八内六角螺钉48、第九内六角螺钉

49、光学狭缝50、第六精密螺杆51、第十内六角螺钉

52、第十一内六角螺钉53、扩束光筒54、扩束透镜

55、1/4波片56、第一偏振分束镜57、1/2波片

58、第二偏振分束镜59、第三法兰60、探测腔

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种冷原子数检测装置，如图1所示，包括第一法兰3、第一精密螺杆4、第二精密螺杆5、第一探测器安装板6、第一探测器7、第一调节筒8、第一镜筒连接筒9、第二透镜支座10、第二平凸透镜11、第二透镜压紧片12、第一透镜压紧片13、第一平凸透镜14、第一透镜支座15、第一连接板16、第一石英玻璃窗17、第四连接板18、第四石英玻璃窗19、第二连接板20、第二石英玻璃窗21、第三连接板22、第三石英玻璃窗23、第三透镜支座24、第三平凸透镜25、第三透镜压紧片26、第四透镜压紧片27、第四平凸透镜28、第四透镜支座29、第二调节筒30、第二镜筒连接筒31、第二探测器32、第二探测器安装板33、第三精密螺杆34、第四精密螺杆35、第二法兰36、连接支架39、反射镜40、反射镜镜架41、第五精密螺杆42、转接光筒46、光学狭缝49、第六精密螺杆50、扩束光筒53、扩束透镜54、1/4波片55、第一偏振分束镜56、1/2波片57、第二偏振分束镜58、第三法兰59、探测腔60。

第一连接板16、第二连接板20、第三连接板22、第四连接板18均为中间设有通孔结构。

探测腔60上、下、左、右表面分别设有第一石英玻璃窗17、第二石英玻璃窗21、第三石英玻璃窗23、第四石英玻璃窗19；

扩束光筒53一端通过第十内六角螺钉51、第十一内六角螺钉52连接光学狭缝49，另一端设有1/4波片55，扩束透镜54位于扩束光筒53内，扩束透镜54位于1/4波片55的左侧，第一偏振分束镜56固定在1/4波片55的右侧，1/2波片57位于第一偏振分束镜56下侧，第二偏振分束镜58通过第三法兰59固定在1/2波片57下侧；

光学狭缝49的中心设有宽度可调的狭缝，通过第六精密螺杆50调节，光学狭缝49另一侧通过第八内六角螺钉47、第九内六角螺钉48固定连接转接光筒46一端；转接光筒46的另一端通过第七内六角螺钉45与第四连接板18相连，第四连接板18通过第五内六角螺钉43、第六内六角螺钉44固定在探测腔60的右表面；

反射镜40安装在反射镜镜架41上，通过第五精密螺杆42调节反射角度；反射镜40通过连接支架39连接第三连接板22，第三连接板22与探测腔60连接，反射镜40位于第四石英玻璃窗的左侧，表面镀有波长为852nm的增反膜；

在探测腔60的上表面和下表面方向分别安装有荧光收集透镜组，上下为对称结构。

在上表面的荧光收集透镜组合中，第一镜筒连接筒9一端通过第一连接板16和探测腔60上端相连接，另外一端设有螺纹，与第一调节筒8通过一段50～75mm的螺纹相互耦合。

第一镜筒连接筒9内部设有第一透镜支座15和第二透镜支座10，第一透镜支座15位于靠近探测腔60一端，第一平凸透镜14通过第一透镜压紧片13紧固在第一透镜支座15上，第二平凸透镜11通过第二透镜压紧片12紧固在第二透镜支座10上，第一平凸透镜14的平面向下，凸面向上，第二平凸透镜11的凸面向下，平面向下；

第一探测器7安装在第一探测器安装板6上，第一探测器安装板6位于第一调节筒8的顶端，通过第一精密螺杆4、第二精密螺杆5将第一探测器安装板6周向紧固在第一调节筒8的顶端，通过第一内六角螺钉1、第二内六角螺钉2将第一法兰3和第一调节筒8上端紧固，进而将第一探测器安装板6固定；

第一探测器7采用光电二极管，距离第二平凸透镜11出射平面40～55mm；

光电二极管的光敏直径为10mm；

第一平凸透镜14、第二平凸透镜11的凸面曲率半径为55mm，直径为85mm，焦距为70mm。第一平凸透镜14、第二平凸透镜11上分别镀有波长为852nm的增透膜。

第一平凸透镜14、第二平凸透镜11两者的凸面距离相距5～10mm；

在下表面的荧光收集透镜组合中，第二镜筒连接筒31一端通过第二连接板20和探测腔60下端相连接，另外一端设有螺纹，与第二调节筒30通过一段50～75mm的螺纹相互耦合。

第二镜筒连接筒31内部设有第三透镜支座24和第四透镜支座29，第三透镜支座24位于靠近探测腔60一端，第三平凸透镜25通过第三透镜压紧片26紧固在第三透镜支座24上，第四平凸透镜28通过第四透镜压紧片27紧固在第四透镜支座29上，第三平凸透镜25的平面向上，凸面向下，第四平凸透镜28的凸面向上，平面向下；

第二探测器32安装在第二探测器安装板33上，第二探测器安装板33位于第二调节筒30的底端，通过第三精密螺杆34、第四精密螺杆35将第二探测器安装板33周向紧固在第二调节筒30的底端，通过第三内六角螺钉37、第四内六角螺钉38将第二法兰36和第二调节筒30底端紧固，进而将第二探测器安装板33固定；

第二探测器32采用光电二极管，距离第四平凸透镜28出射平面40～55mm；

光电二极管的光敏直径为10mm；

第三平凸透镜25、第四平凸透镜28的凸面曲率半径为55mm，直径为85mm，焦距为70mm。第三平凸透镜25、第四平凸透镜28上分别镀有波长为852nm的增透膜。

第三平凸透镜25、第四平凸透镜28两者的凸面距离相距5～10mm；

两个透镜组合中，通过第一调节精密螺杆4、第二调节精密螺杆5和第三调节精密螺杆34、第四调节精密螺杆35可以实现第一探测器安装板6和第二探测器安装板33的二维调节，从而实现第一探测器7和第二探测器32的二维（径向）调节；通过调整镜筒调节筒8和30的位置，可以实现探测器位置的第三维（轴向）调整。

工作过程：

在图1中，探测激光经过扩束光筒53后通过一个1～3×20mm的光学狭缝49成为片状探测光，然后经过通过第四连接板18与探测腔60相连的转接光筒46，透过第四石英玻璃窗19进入探测腔60中。在入射激光的相对方向，反射镜40通过连接支架39和探测腔60相连接，反射的探测激光和入射的探测激光形成驻波。冷原子在探测腔60的中心区域与驻波探测光垂直相交，这样，将在探测腔60中形成自发辐射的荧光。

在探测腔60的上方表面中心和下表面中心分别安装有一套荧光检测装置。在探测腔上表面的荧光检测装置中，荧光通过第一石英玻璃窗17后，经第一平凸透镜14和第二平凸透镜11的透镜组合成像在快速响应的第一探测器7上。其中，第一平凸透镜14和第二平凸透镜11安装在第一镜筒连接筒9上，第一镜筒连接筒9通过内六角螺钉固定在第一连接板16上。第一探测器7通过第一探测器安装板6固定在第一调节筒8上，第一调节筒8和第一镜筒连接筒9通过螺纹相互耦合。第一法兰3用来固定第一探测器安装板6，从而固定第一探测器7。同样地，在探测腔60下方表面的荧光检测装置中，荧光通过第三平凸透镜25和第四平凸透镜28的透镜组合成像在第二探测器32上。第三平凸透镜25和第四平凸透镜28的透镜组合安装在第二镜筒连接筒31上。通过调节第三平凸透镜25和第四平凸透镜28之间的相对位置，可以改变荧光成像的位置，从而可以提高荧光接收效率。第二镜筒连接筒31通过螺纹和第二调节筒30耦合，第二探测器32通过第二探测器安装板33固定在第二调节筒30上。通过分别调节精密螺杆4、5和34、35，可以在荧光收集方向的垂直截面上实现第一探测器7和第二探测器32的二维径向调节；通过调节第一调节筒8和第二调节筒30，可以实现第一探测器7和第二探测器32的第三维轴向调节。第一探测器7和第二探测器32接收到的信号经过后续的I/V转换放大和运算，得到的信号信噪比和单荧光信号检测装置相比可提高倍。

Claims (9)

1.一种冷原子数检测装置，包括第一法兰、第一精密螺杆、第二精密螺杆、第一探测器安装板、第一探测器、第一调节筒、第一镜筒连接筒、第二透镜支座、第二平凸透镜、第二透镜压紧片、第一透镜压紧片、第一平凸透镜、第一透镜支座、第一连接板、第一石英玻璃窗、第四连接板、第四石英玻璃窗、第二连接板、第二石英玻璃窗、第三连接板、第三石英玻璃窗、第三透镜支座、第三平凸透镜、第三透镜压紧片、第四透镜压紧片、第四平凸透镜、第四透镜支座、第二调节筒、第二镜筒连接筒、第二探测器、第二探测器安装板、第三精密螺杆、第四精密螺杆、第二法兰、连接支架、反射镜、反射镜镜架、第五精密螺杆、转接光筒、光学狭缝、第六精密螺杆、扩束光筒、扩束透镜、1/4波片、第一偏振分束镜、1/2波片、第二偏振分束镜、第三法兰、探测腔；

第一连接板、第二连接板、第三连接板、第四连接板均为中间设有通孔结构；

探测腔上、下、左、右表面分别设有第一石英玻璃窗、第二石英玻璃窗、第三石英玻璃窗、第四石英玻璃窗；

扩束光筒一端连接光学狭缝，另一端设有1/4波片，扩束透镜位于扩束光筒内，扩束透镜位于1/4波片的左侧，第一偏振分束镜固定在1/4波片的右侧，1/2波片位于第一偏振分束镜下侧，第二偏振分束镜固定在1/2波片下侧；

光学狭缝的中心设有宽度可调的狭缝，光学狭缝另一侧固定连接转接光筒一端；转接光筒的另一端与第四连接板相连，第四连接板固定在探测腔的右表面；

反射镜安装在反射镜镜架上，反射镜能够调节反射角度，反射镜通过连接支架连接第三连接板，第三连接板与探测腔连接，反射镜位于第四石英玻璃窗的左侧，表面镀有增反膜；

在探测腔的上表面和下表面方向分别安装有荧光收集透镜组，上下为对称结构；

在上表面的荧光收集透镜组合中，第一镜筒连接筒一端通过第一连接板和探测腔上端相连接，另外一端设有螺纹，与第一调节筒相互耦合；

第一镜筒连接筒内部设有第一透镜支座和第二透镜支座，第一透镜支座位于靠近探测腔一端，第一平凸透镜固定在第一透镜支座上，第二平凸透镜固定在第二透镜支座上，第一平凸透镜的平面向下，凸面向上，第二平凸透镜的凸面向下，平面向下；

第一探测器安装在第一探测器安装板上，第一探测器安装板位于第一调节筒的顶端；

在下表面的荧光收集透镜组合中，第二镜筒连接筒一端通过第二连接板和探测腔下端相连接，另外一端设有螺纹，与第二调节筒相互耦合；

第二镜筒连接筒内部设有第三透镜支座和第四透镜支座，第三透镜支座位于靠近探测腔一端，第三平凸透镜固定在第三透镜支座上，第四平凸透镜固定在第四透镜支座上，第三平凸透镜的平面向上，凸面向下，第四平凸透镜的凸面向上，平面向下；

第二探测器安装在第二探测器安装板上，第二探测器安装板位于第二调节筒的底端。

2.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的反射镜表面的增反膜波长为852nm。

3.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第一平凸透镜通过第一透镜压紧片紧固在第一透镜支座上，第二平凸透镜通过第二透镜压紧片紧固在第二透镜支座上，第三平凸透镜通过第三透镜压紧片紧固在第三透镜支座上，第四平凸透镜通过第四透镜压紧片紧固在第四透镜支座上。

4.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第一探测器安装板通过第一精密螺杆、第二精密螺杆将第一探测器安装板周向紧固在第一调节筒的顶端，通过第一法兰将第一探测器安装板与第一调节筒上端紧固。

5.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第二探测器安装板通过第三精密螺杆、第四精密螺杆将第二探测器安装板周向紧固在第二调节筒的底端，通过第二法兰将第二探测器安装板与第二调节筒底端紧固。

6.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第一探测器、第二探测器采用光电二极管，光电二极管的光敏直径为10mm；第一探测器距离第二平凸透镜出射平面40～55mm，第二探测器距离第四平凸透镜出射平面40～55mm。

7.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜的凸面曲率半径为55mm，直径为85mm，焦距为70mm。

8.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜上分别镀有波长为852nm的增透膜。

9.根据权利要求1所述的一种冷原子数检测装置，所述的第一平凸透镜与第二平凸透镜两者的凸面距离、第三平凸透镜与第四平凸透镜两者的凸面距离为5～10mm。