CN104296869B - 用于原子钟的荧光收集装置 - Google Patents

Abstract

一种用于原子钟的荧光收集装置，在真空腔体的下端设置有冷原子发射器，真空腔体右外侧壁上设置有第一扩束镜筒和第二扩束镜筒，第一扩束镜筒和第二扩束镜筒的光轴与真空腔体的中心线相垂直，第一扩束镜筒通过光导纤维与第一激光器相连，第二扩束镜筒通过光导纤维与第二激光器相连，在真空腔体左外侧壁上设置有第一荧光接收器和第二荧光接收器，第一荧光接收器的光轴与第一扩束镜筒的光轴相重合，第二荧光接收器的光轴与第二激光器的光轴相重合。本发明将原子不同量子态发出的荧光进行有效地分离，将他们各自成像在各自的光电转换元件上。由于透镜组只有3个透镜，降低了透镜对于极弱荧光的吸收损耗，提高了荧光的收集效率。

Description

用于原子钟的荧光收集装置

技术领域

本发明属于光学探测器件技术领域，具体涉及到接收荧光的设备或装置。

背景技术

目前原子钟探测区的荧光收集装置要求探测原子不同量子态荧光强度。对于探测原子不同量子态的荧光收集装置来说，首先要保证不同量子态发出荧光有比较高的收集率和信噪比，特别是对于极弱荧光时，信噪比的提高尤其重要。除了信噪比之外，为了得到每个量子态发出荧光强度，还要分离不同量子态发出荧光信号，提高探测的准确度。

原子钟探测区的荧光收集装置，要求将原子不同量子态上原子发出的荧光进行有效地收集和分离，将原子不同量子态发出的荧光收集到其对应探测区的探测元件上。由于探测到的荧光极弱，所以要求成像在探测元件上的弥散斑尽可能的小，以求达到最大信噪比，而且要求不同量子态的荧光不能相互干扰。目前原子钟探测区荧光收集装置主要有两种；一是由多组光学透镜组成的对称系统进行收集，这种探测装置可以有效地减小原子团荧光成像在探测元件上的弥散斑，提高了信噪比，可以对不同量子态原子荧光进行有效地分离，并且可以将原子团与探测光交汇区全部荧光收集到其对应的探测元件上。但是这种装置最大的一个缺点是：透镜数目众多，对极弱的原子荧光吸收损耗比较大。二是用两个透镜组成的收集装置，装配简单，透镜数目少，吸收损耗少，但是这种装置，对于原子团与探测光交汇区原子荧光成像在探测元件上的弥散斑比较大，其次这种结构的装置，不能同时兼顾探测元件上弥散斑小与原子不同量子态发出的荧光进行有效地分离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述原子钟荧光收集装置的缺点，提供一种收集效率高、结构简单、荧光吸收损耗小的用于原子钟的荧光收集装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在真空腔体的下端设置有冷原子发射器，真空腔体右外侧壁上设置有第一扩束镜筒和第二扩束镜筒，第一扩束镜筒和第二扩束镜筒的光轴与真空腔体的中心线相垂直，第一扩束镜筒通过光导纤维与第一激光器相连，第二扩束镜筒通过光导纤维与第二激光器相连，在真空腔体左外侧壁上设置有第一荧光接收器和第二荧光接收器。本发明的第一荧光接收器为：在真空腔体左侧壁设置有镜筒，镜筒内右端设置有光入射面为平面、出射面为凸面的S1平凸透镜，S1平凸透镜凸面的曲率半径为30～40mm，距离S1平凸透镜左端面左侧5～15mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的非球面镜，非球面镜凸面的曲率半径为25～35mm、非球面二次曲面系数为-1.5～15，距离非球面镜左端面左侧40～70mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的S2平凸透镜，S2平凸透镜凸面的曲率半径为20～50mm，距离S2平凸透镜左端面左侧10～20mm处光出射方向的镜筒侧面上设置有光电转换器；在S1平凸透镜、非球面镜、S2平凸透镜的镜面上真空蒸镀4～6层二氧化硅减反膜；所述的第二荧光接收器与第一荧光接收器的结构完全相同

本发明的S1平凸透镜凸面的曲率半径最佳为35mm，距离S1平凸透镜左端面左侧最佳10mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的非球面镜，非球面镜凸面的曲率半径最佳为30mm、非球面二次曲面系数为7，距离非球面镜左端面左侧最佳55mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的S2平凸透镜，S2平凸透镜凸面的曲率半径最佳为35mm，距离S2平凸透镜左端面左侧15mm处光出射方向的镜筒侧面上设置有光电转换器；在S1平凸透镜、非球面镜、S2平凸透镜的镜面上真空蒸镀最佳5层二氧化硅减反膜。

本发明的第一扩束镜筒的光轴与第二扩束镜筒的光轴之间的距离为10～20mm。

本发明的第一荧光接收器的光轴与第一扩束镜筒的光轴相重合，第二荧光接收器的光轴与第二激光器的光轴相重合。

本发明采用冷原子发射器发出的冷原子团在真空腔体内下落过程中与真空腔体侧壁竖直方向排列的不同波长的激光器出射的激光相互作用，不同波长的激光先后与原子团作用形成发出极弱荧光的发光原子团，发光原子团发出的荧光一部分被真空腔体另一侧壁上对应竖直方向排列的荧光接收装置收集并成像在其内部的光电转换器上。每一个量子态原子辐射的荧光会被相应量子态的荧光接收装置收集，从而做到了荧光分离，提高了探测原子各个量子态荧光强度的准确性。

本发明的荧光接收装置利用1个非球面透镜和2个平凸透镜组成的透镜组在保证系统所需要光焦度前提下，将光电转换元件上的弥散斑进一步减小，并且可以将原子不同量子态发出的荧光进行有效地分离，将他们各自成像在各自的光电转换元件上。由于透镜组只有3个透镜，降低了透镜对于极弱荧光的吸收损耗，提高了荧光的收集效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的用于原子钟的荧光收集装置由第一扩束镜筒1、光导纤维2、第一激光器3、第二激光器4、第二扩束镜筒5、真空腔体6、冷原子发射器7、第二荧光接收器8、光电转换器9、镜筒10、S2平凸透镜11、第一荧光接收器12、非球面镜13、S1平凸透镜14联接构成。

在真空腔体6的下端用螺丝紧固连接件固定安装有冷原子发射器7，冷原子发射器7发出的冷原子团向上打入真空腔体6内，在真空腔体6内沿竖直方向下落。在真空腔体6右侧壁外用螺丝紧固联接件固定安装有第一扩束镜筒1和第二扩束镜筒5，第一扩束镜筒1与第二扩束镜筒5的光轴相平行且与真空腔体6的中心线相垂直、第一扩束镜筒1的光轴与第二扩束镜筒5的光轴相距15mm，第一扩束镜筒1右端通过光导纤维2与第一激光器3相连，第一激光器3的波长为852.355nm，第一激光器3发射出的波长为852.355nm激光经过第一扩束镜筒1进入，对激光进行扩束后进入到真空腔体6内激发冷原子到上能级，冷原子自发辐射到下能级时产生荧光。第二扩束镜筒5通过光导纤维2与第二激光器4相连，第二激光器4发射的波长为852.335nm经过第二扩束镜筒5进入，对激光进行扩束后进入到真空腔体6内与下落的冷原子相互作用产生荧光。

在真空腔体6左侧壁外用螺丝紧固联接件固定安装有第一荧光接收器12和第二荧光接收器8，第一荧光接收器12的光轴与第一扩束镜筒1的光轴相重合，第二荧光接收器8的光轴与第二扩束镜筒5的光轴相重合。第一荧光接收器12和第二荧光接收器8用于接收荧光。

本实施例的第一荧光接收器12由光电转换器9、S2平凸透镜11、非球面镜13、S1平凸透镜14、镜筒10联接构成。镜筒10用螺丝紧固联接件固定安装在真空腔体6左侧壁上，镜筒10内右端安装有S1平凸透镜14，S1平凸透镜14的光入射面为平面向右、光出射面为凸面向左，凸面的曲率半径为35mm，S1平凸透镜14的镜面上真空蒸镀有5层二氧化硅减反膜。距离S1平凸透镜14左端面10mm处光出射方向镜筒10上安装有非球面镜13，非球面镜13的光入射面为凸面向右、光出射面为平面向左，凸面的曲率半径为30mm，非球面二次曲面系数为7，非球面镜13的镜面上真空蒸镀有5层二氧化硅减反膜。距离非球面镜13左端面左侧55mm处光出射方向镜筒11上安装有S2平凸透镜11，S2平凸透镜11的光入射面为凸面向右、光出射面为平面向左，凸面的曲率半径为35mm，S2平凸透镜11的镜面上真空蒸镀有5层二氧化硅减反膜。距离S2平凸透镜11左端面左侧15mm处光出射方向的镜筒10左侧壁上安装有光电转换器9，真空腔体6内的荧光通过透镜组成像在光电转换器9上，光电转换器9将所接收到的荧光信号转换成电信号输出。

第二荧光接收器8的结构与第一荧光接收器12完全相同，工作原理完全相同，真空腔体6内的荧光由第二荧光接收器8接收成像在第二荧光接收器8的光电转换器上转换成电信号输出。

实施例2

本实施例中，在镜筒10内右端安装有S1平凸透镜14，S1平凸透镜14的光入射面为平面向右、光出射面为凸面向左，凸面的曲率半径为30mm，S1平凸透镜14的镜面上真空蒸镀有4层二氧化硅减反膜。距离S1平凸透镜14左端面5mm处光出射方向镜筒10上安装有非球面镜13，非球面镜13的光入射面为凸面向右、出射面为平面向左，凸面的曲率半径为25mm，非球面二次曲面系数为-1.5，非球面镜13的镜面上真空蒸镀有4层二氧化硅减反膜。距离非球面镜13左端面左侧40mm处光出射方向镜筒10上安装有S2平凸透镜11，S2平凸透镜11的光入射面为凸面向右、出射面为平面向左，凸面的曲率半径为20mm，S2平凸透镜11的镜面上真空蒸镀有4层二氧化硅减反膜。距离S2平凸透镜11左端面左侧10mm处光出射方向的镜筒10左侧壁上安装有光电转换器9，真空腔体6内的荧光成像在第一荧光接收器12的光电转换器9上，光电转换器9将所接收到的荧光信号转换成电信号输出。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，在镜筒10内右端安装有S1平凸透镜14，S1平凸透镜14的光入射面为平面向右、光出射面为凸面向左，凸面的曲率半径为40mm，S1平凸透镜14的镜面上真空蒸镀有4层二氧化硅减反膜。距离S1平凸透镜14左端面15mm处光出射方向镜筒10上安装有非球面镜13，非球面镜13的光入射面为凸面向右、出射面为平面向左，凸面的曲率半径为35mm，非球面二次曲面系数为15，非球面镜13的镜面上真空蒸镀有6层二氧化硅减反膜。距离非球面镜13左端面左侧70mm处光出射方向镜筒10上安装有S2平凸透镜11，S2平凸透镜11的光入射面为凸面向右、出射面为平面向左，凸面的曲率半径为50mm，S2平凸透镜11的镜面上真空蒸镀有6层二氧化硅减反膜。距离S2平凸透镜11左端面左侧20mm处光出射方向的镜筒10左侧壁上安装有光电转换器9，真空腔体6内的荧光成像在第一荧光接收器12的光电转换器9上，光电转换器9将所接收到的荧光信号转换成电信号输出。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，在真空腔体6右侧壁外用螺丝紧固联接件固定安装有第一扩束镜筒1和第二扩束镜筒5，第一扩束镜筒1与第二扩束镜筒5的光轴相平行且与真空腔体6的中心线相垂直、第一扩束镜筒1的光轴与第二扩束镜筒5的光轴相距10mm。其他零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例5

在以上的实施例1～3中，在真空腔体6右侧壁外用螺丝紧固联接件固定安装有第一扩束镜筒1和第二扩束镜筒5，第一扩束镜筒1与第二扩束镜筒5的光轴相平行且与真空腔体6的中心线相垂直、第一扩束镜筒1的光轴与第二扩束镜筒5的光轴相距20mm。其他零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

本发明的工作原理如下：

冷原子发射器7发出的冷原子团由下向上竖直打入真空腔体6内，启动第一激光器3和第二激光器4，第一激光器3的激光经过光导纤维2传输至第一扩束镜筒1，经过第一扩束镜筒1扩束后的激光水平射入真空腔体6内；第二激光器4出射的激光经过光导纤维2传输至第二扩束镜筒5，经过第二扩束镜筒5扩束后的激光水平射入真空腔体6内。在真空腔体内下落的冷原子团经过第一扩束镜筒1的水平位置时首先与第一激光器3发出的激光相互作用，产生的荧光由第一荧光接收器12接收，荧光射入第一荧光接收器12的镜筒10内，依次通过S1平凸透镜14，非球面镜13，S2平凸透镜11，最后在光电转换器9的光接收面上成一个缩小的像转换成电信号输出，即探测第一个原子态发出的荧光。下落的冷原子团经过第二扩束镜筒5的水平位置时再次与第二激光器4发出的激光相互作用，产生的荧光由第二荧光接收器8接收，成像原理与第一荧光接收器12相同，探测第二个原子态发出的荧光。由于冷原子团在下落的过程中是一个均匀扩散的球体，第二激光器4发出的激光与冷原子团作用产生的荧光一部分会被第一荧光接收器12接收，但这部分荧光对于第一荧光接收器12属于干扰荧光，不会成像在第一荧光接收器12的光电转换器9上，同理第一激光器3发出的激光与冷原子团作用产生的荧光一部分会被第二荧光接收器8接收，但这部分荧光对于第二荧光接收器8属于干扰荧光，不会成像在第二荧光接收器8的光电转换器上。这样既可以收集到更多的荧光，也排除干扰光的影响，在提高信噪比的同时，也提高了探测荧光强度的准确性。

Claims (3)

1.一种用于原子钟的荧光收集装置，在真空腔体(6)的下端设置有冷原子发射器(7)，真空腔体(6)右外侧壁上设置有第一扩束镜筒(1)和第二扩束镜筒(5)，第一扩束镜筒(1)和第二扩束镜筒(5)的光轴与真空腔体(6)的中心线相垂直，第一扩束镜筒(1)通过光导纤维(2)与波长为852.355nm的第一激光器(3)相连，第二扩束镜筒(5)通过光导纤维(2)与波长为852.335nm的第二激光器(4)相连，在真空腔体(6)左外侧壁上设置有第一荧光接收器(12)和第二荧光接收器(8)，其特征在于所述的第一荧光接收器(12)为：在真空腔体(6)左侧壁设置有镜筒(10)，镜筒(10)内右端设置有光入射面为平面、出射面为凸面的S1平凸透镜(14)，S1平凸透镜(14)凸面的曲率半径为30～40mm，距离S1平凸透镜(14)左端面左侧5～15mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的非球面镜(13)，非球面镜(13)凸面的曲率半径为25～35mm、非球面二次曲面系数为-1.5～15，距离非球面镜(13)左端面左侧40～70mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的S2平凸透镜(11)，S2平凸透镜(11)凸面的曲率半径为20～50mm，距离S2平凸透镜(11)左端面左侧10～20mm处光出射方向的镜筒(10)侧面上设置有光电转换器(9)；在S1平凸透镜(14)、非球面镜(13)、S2平凸透镜(11)的镜面上真空蒸镀4～6层二氧化硅减反膜；所述的第二荧光接收器(8)与第一荧光接收器(12)的结构完全相同；

上述的第一荧光接收器(12)的光轴与第一扩束镜筒(1)的光轴相重合，第二荧光接收器(8)的光轴与第二激光器(4)的光轴相重合。

2.根据权利要求1所述的用于原子钟的荧光收集装置，其特征在于所述的S1平凸透镜(14)凸面的曲率半径为35mm，距离S1平凸透镜(14)左端面左侧10mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的非球面镜(13)，非球面镜(13)凸面的曲率半径为30mm、非球面二次曲面系数为7，距离非球面镜(13)左端面左侧55mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的S2平凸透镜(11)，S2平凸透镜(11)凸面的曲率半径为35mm，距离S2平凸透镜(11)左端面左侧15mm处光出射方向的镜筒(10)侧面上设置有光电转换器(9)；在S1平凸透镜(14)、非球面镜(13)、S2平凸透镜(11)的镜面上真空蒸镀5层二氧化硅减反膜。

3.根据权利要求1所述的用于原子钟的荧光收集装置，其特征在于所述的第一扩束镜筒(1)的光轴与第二扩束镜筒(5)的光轴之间的距离为10～20mm。