CN107861251A - 空心光束激光冷却柱型积分球装置 - Google Patents

空心光束激光冷却柱型积分球装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107861251A
CN107861251A CN201711218066.8A CN201711218066A CN107861251A CN 107861251 A CN107861251 A CN 107861251A CN 201711218066 A CN201711218066 A CN 201711218066A CN 107861251 A CN107861251 A CN 107861251A
Authority
CN
China
Prior art keywords
integrating sphere
column type
lens
hollow beam
type integrating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711218066.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107861251B (zh
Inventor
王鑫
孟艳玲
叶美凤
成华东
刘亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN201711218066.8A priority Critical patent/CN107861251B/zh
Publication of CN107861251A publication Critical patent/CN107861251A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107861251B publication Critical patent/CN107861251B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0911—Anamorphotic systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

一种空心光束激光冷却柱型积分球装置，包括真空系统和光学系统。将空心光束通过环形反射镜注入到柱型积分球腔内，在柱型积分球内形成漫反射光场来冷却原子。本发明主要利用空心光束特有的光场结构，增加探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周边的冷原子分布，从而提高了积分球冷原子钟探测信号的信噪比和对比度，对优化积分球冷原子钟性能和稳定度指标具有重要意义。

Description

空心光束激光冷却柱型积分球装置
技术领域
本发明涉及原子钟的激光冷却技术，特别是一种空心光束激光冷却柱型积分球装置。该装置增加了积分球探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周围的冷原子分布，从而提高钟信号的稳定度。
背景技术
原子钟是全球定位系统的核心，原子钟的准确度和稳定度决定了导航定位的精度以及系统的性能，高精度星载原子钟是我国高精度对地观测系统及高精度卫星导航系统建设的迫切需求。而积分球冷却中性原子具有装置简单，不需要磁场，体积小，重量轻，易实现等优点，将作为下一代的星载原子钟。如何提高积分球冷原子钟的信噪比，降低钟信号的对比度，进而提高原子钟的稳定度成为人们日益关注的重点。目前,上海光机所积分球冷原子钟2万秒的稳定度指标达到了3.5×10-15(引自论文“Improvement in medium long-termfrequency stability of the integrating sphere cold atom clock”,作者P.liu,H.D.Cheng,Y.L.Meng,J.Y.Wan,X.M.Wang,L.Xiao and L.Liu)。该系统将冷却光均分为四束，从柱型腔的底部入射，但是这种结构存在些不足之处。
一、积分球注入光对原子的加热作用，积分球内的冷原子团是中间少两边多的密度分布，不利于原子钟信噪比的提高。
二、探测轴线两边较大范围内仍有大量冷原子，会发生非平衡Ramsey跃迁，降低钟信号的对比度。
发明内容
本发明的目的在于提高积分球探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周围的冷原子数，提供一种空心光束激光冷却柱型积分球的装置，该装置应用到积分球冷原子钟中，有利于提高钟信号的信噪比和对比度，最终提高积分球冷原子钟的稳定度。
本发明的技术解决方案如下：
一种空心光束激光冷却柱型积分球装置，包括真空系统和光学系统，其特点在于，所述的真空系统包括四通腔体，该四通腔体的第一端口依次连接有铷源和铷源阀门，该四通腔体的第二端口连接柱型积分球，该四通腔体的第三端口，即四通腔体与柱型积分球相对的一面设有通光窗口,该四通腔体的第四端口接有离子泵；
所述的光路系统包括冷却光路和探测光路，沿冷却光路依次设置有第一透镜、第二透镜、第一圆锥棱镜、第二圆锥棱镜和环形反射镜；所述的第一透镜和第二透镜组成一组缩束透镜组或扩束透镜组，所述的第一透镜、第二透镜、第一圆锥棱镜、第二圆锥棱镜和环形反射镜的中心在同一直线上，且第二圆锥棱镜和环形反射镜成45度角放置，柱型积分球和环形反射镜成45度角放置，柱型积分球和环形反射镜的中心在一条直线上；
沿探测光路设置有第三透镜和光电管，所述的光电管置于第三透镜的焦点处；
冷却光经过第一透镜和第二透镜后光斑半径改变，经过第一圆锥棱镜成为发散的空心光束，再经过第二圆椎棱镜变成平行空心光束，空心光束经环形反射镜反射后垂直射入柱型积分球内，在柱型积分球内形成各向同性的漫反射光场；
探测光从通光窗口中心垂直射入到柱型积分球内，并通过柱型积分球的顶部中心出射后，经第三透镜后被光电管接收。
所述的柱型积分球的外壁喷涂漫反射材料。
所述的漫反射材料对780nm波长的漫反射率大于98％。
所述的通光窗口上镀有780nm波长的增透膜。
所述的第一透镜、第二透镜、第一圆锥棱镜、第二圆锥棱镜、环形反射镜和第三透镜上镀有780nm波长的增透膜。
所述四通腔体为不锈钢材质。
与现有技术相比，本发明特点和技术效果如下：
将空心光束应用到积分球冷却中，使探测轴线的冷原子密度高，而探测轴线外的冷原子密度低，且径向分布呈高斯形的冷原子密度分布，可以提高冷原子钟信号的信噪比和对比度，对提高冷原子钟的稳定度指标有重要意义。
附图说明
图1是本发明空心光束激光冷却柱型积分球总体结构示意图。
图2是本发明真空系统示意图。
图3是本发明光学系统的冷却光路示意图。
图4是本发明冷却光和探测光注入方式示意图。
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2。图2是本发明真空系统示意图。由图可见，本发明空心光束激光冷却柱型积分球的真空系统，包括四通腔体1-4，接口是直径为35mm的刀口法兰，真空密封采用紫铜线圈；该四通腔体1-4的第一端口依次连接有铷源1-2和铷源阀门1-1；该四通腔体1-4的第二端口连接柱型积分球1-3，积分球的外径是71mm，高度44mm，在柱型积分球1-3上喷涂漫反射材料，通过一个过渡玻璃与法兰相接；该四通腔体1-4的第三端口，即四通腔体1-4与柱型积分球1-3相对的一面设有通光窗口1-5，该四通腔体1-4的第四端口接有离子泵1-6。
参照图1，图1是本发明空心光束激光冷却柱型积分球总体结构示意图，光学系统包括冷却光路和探测光路。沿冷却光路依次设置有第一透镜2-1、第二透镜2-2、第一圆锥棱镜2-3、第二圆锥棱镜2-4和环形反射镜2-5；所述的第一透镜2-1、第二透镜2-2组成一组缩/扩束透镜组，所述的第一圆锥棱镜2-3和第二圆锥棱镜2-4的顶角相同，所述的第一透镜2-1、第二透镜2-2、第一圆锥棱镜2-3、第二圆锥棱镜2-4和环形反射镜2-5的中心在同一直线上，且第二圆锥棱镜2-4和环形反射镜2-5成45度角放置，柱型积分球1-3和环形反射镜2-5成45度角放置，柱型积分球1-3和环形反射镜2-5的中心在一条直线上。沿探测光路设置有第三透镜3-2和光电管3-1，光电管3-1在第三透镜3-2的焦点处。。
所述的柱型积分球1-3喷涂的漫反射材料对780nm波长的漫反射率大于98％。
所述的通光窗口1-5镀上780波长的增透膜。
所述的第一透镜2-1、第二透镜2-2、第一圆锥棱镜2-3、第二圆锥棱镜2-4、环形反射镜2-5、第三透镜3-2镀上780nm波长的增透膜。
所述四通腔体1-4为不锈钢材质。
本发明空心光束激光冷却柱型积分球的使用方法是：
请参阅图3，冷却光3-3，经过第一透镜2-1和第二透镜2-2后光斑半径改变。经过圆锥棱镜2-3成为发散的空心光束，再经过圆椎棱镜2-4变成平行空心光束。
请参阅图4，空心光束通过环形反射镜2-5从柱型积分球1-3的顶部注入，在积分球内形成各向同性的漫反射光场。径上原子的加热作用减少了光束路径上的冷原子，空心光束直径越小，其轴线的漫反射光越强，越能高效冷却原子，冷原子的密度分布可以通过调整空心光束的圆环宽度与直径进行控制。圆环宽度可以通过选择第一透镜2-1和第二透镜2-2缩/扩束倍数进行调节，圆环的直径可以通过调节第一圆锥棱镜2-3和第二圆锥棱镜2-4的距离。
探测光3-4从通光窗口1-5中心垂直射入到柱型积分球内，并穿过柱型积分球的中心轴，在柱型积分球内形成驻波场，从顶部中心出射后，经过第三透镜3-2后被光电管3-1接收进行探测。
本发明空心光束激光冷却柱型积分球装置，使探测轴线的冷原子密度高，而探测轴线外的冷原子密度低，且径向分布呈高斯形的冷原子密度分布，提高冷原子钟信号的信噪比和对比度。

Claims (6)

1.一种空心光束激光冷却柱型积分球装置，包括真空系统和光学系统，其特征在于，所述的真空系统包括四通腔体(1-4)，该四通腔体(1-4)的第一端口依次连接有铷源(1-2)和铷源阀门(1-1)，该四通腔体(1-4)的第二端口连接柱型积分球(1-3)，该四通腔体(1-4)的第三端口，即四通腔体(1-4)与柱型积分球(1-3)相对的一面设有通光窗口(1-5),该四通腔体的第四端口接有离子泵(1-6)；
所述的光路系统包括冷却光路和探测光路，沿冷却光路依次设置有第一透镜(2-1)、第二透镜(2-2)、第一圆锥棱镜(2-3)、第二圆锥棱镜(2-4)和环形反射镜(2-5)；所述的第一透镜(2-1)和第二透镜(2-2)组成一组缩/扩束透镜组，所述的第一透镜(2-1)、第二透镜(2-2)、第一圆锥棱镜(2-3)、第二圆锥棱镜(2-4)和环形反射镜(2-5)的中心在同一直线上，且第二圆锥棱镜(2-4)和环形反射镜(2-5)成45度角放置，柱型积分球(1-3)和环形反射镜(2-5)成45度角放置，柱型积分球(1-3)和环形反射镜(2-5)的中心在一条直线上；
沿探测光路设置有第三透镜(3-2)和光电管(3-1)，所述的光电管(3-1)置于第三透镜(3-2)的焦点处；
冷却光(3-3)经过第一透镜(2-1)和第二透镜(2-2)后光斑半径改变，经过第一圆锥棱镜(2-3)成为发散的空心光束，再经过第二圆椎棱镜(2-4)变成平行空心光束，空心光束经环形反射镜(2-5)反射后垂直射入柱型积分球(1-3)内，在柱型积分球(1-3)内形成各向同性的漫反射光场；
探测光(3-4)从通光窗口(1-5)中心垂直射入到柱型积分球(1-3)内，并通过柱型积分球(1-3)的顶部中心出射后，经第三透镜(3-2)后被光电管(3-1)接收。
2.根据权利要求1所述的空心光束激光冷却柱型积分球装置，其特征在于所述的柱型积分球(1-3)的外壁喷涂漫反射材料。
3.根据权利要求2所述的空心光束激光冷却柱型积分球装置，其特征在于所述的漫反射材料对780nm波长的漫反射率大于98％。
4.根据权利要求1所述的空心光束激光冷却柱型积分球装置，其特征在于所述的通光窗口上镀有780nm波长的增透膜。
5.根据权利要求1所述的空心光束激光冷却柱型积分球装置，其特征在于所述的第一透镜、第二透镜、第一圆锥棱镜、第二圆锥棱镜、环形反射镜和第三透镜上镀有780nm波长的增透膜。
6.根据权利要求1所述的空心光束激光冷却柱型积分球装置，其特征在于所述四通腔体(1-4)为不锈钢材质。
CN201711218066.8A 2017-11-28 2017-11-28 空心光束激光冷却柱型积分球装置 Active CN107861251B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711218066.8A CN107861251B (zh) 2017-11-28 2017-11-28 空心光束激光冷却柱型积分球装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711218066.8A CN107861251B (zh) 2017-11-28 2017-11-28 空心光束激光冷却柱型积分球装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107861251A true CN107861251A (zh) 2018-03-30
CN107861251B CN107861251B (zh) 2019-07-16

Family

ID=61703744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711218066.8A Active CN107861251B (zh) 2017-11-28 2017-11-28 空心光束激光冷却柱型积分球装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107861251B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109031923A (zh) * 2018-07-23 2018-12-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 腔内冷却式原子钟
CN112470235A (zh) * 2018-06-07 2021-03-09 泰勒斯公司 用于冷原子传感器的冷却系统及其相关冷却方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2154585A3 (en) * 2008-08-11 2011-01-19 Honeywell International, Inc. Physics package design for a cold atom primary frequency standard
US8101929B1 (en) * 2008-04-24 2012-01-24 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Diffraction free, self-bending airy wave arrangement
CN102868400A (zh) * 2012-09-18 2013-01-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 冷却原子的柱形腔装置
CN103246064A (zh) * 2013-05-16 2013-08-14 湖南大学 基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及方法
WO2014027637A1 (ja) * 2012-08-17 2014-02-20 独立行政法人理化学研究所 光格子時計、時計装置、およびレーザー光源
CN104950455A (zh) * 2015-07-10 2015-09-30 长春理工大学 实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法
CN106094218A (zh) * 2016-06-23 2016-11-09 夏辉 一种空心光束的产生装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8101929B1 (en) * 2008-04-24 2012-01-24 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Diffraction free, self-bending airy wave arrangement
EP2154585A3 (en) * 2008-08-11 2011-01-19 Honeywell International, Inc. Physics package design for a cold atom primary frequency standard
WO2014027637A1 (ja) * 2012-08-17 2014-02-20 独立行政法人理化学研究所 光格子時計、時計装置、およびレーザー光源
CN102868400A (zh) * 2012-09-18 2013-01-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 冷却原子的柱形腔装置
CN103246064A (zh) * 2013-05-16 2013-08-14 湖南大学 基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及方法
CN104950455A (zh) * 2015-07-10 2015-09-30 长春理工大学 实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法
CN106094218A (zh) * 2016-06-23 2016-11-09 夏辉 一种空心光束的产生装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112470235A (zh) * 2018-06-07 2021-03-09 泰勒斯公司 用于冷原子传感器的冷却系统及其相关冷却方法
CN112470235B (zh) * 2018-06-07 2024-04-09 泰勒斯公司 用于冷原子传感器的冷却系统及其相关冷却方法
CN109031923A (zh) * 2018-07-23 2018-12-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 腔内冷却式原子钟

Also Published As

Publication number Publication date
CN107861251B (zh) 2019-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107861251B (zh) 空心光束激光冷却柱型积分球装置
CN104165626B (zh) 仿生复眼成像目标定位系统
CN102607811B (zh) 一种确定非球面反射镜光轴的系统及方法
Haynes et al. Kinematic Evidence of Minor Mergers in Normal SA Galaxies: NGC 3626, NGC 3900, NGC 4772, and NGC 5854
CN103017686A (zh) 一种利用激光跟踪仪调整主镜光轴与水平轴垂直的方法
CN102608727B (zh) 一种定心工装及用该工装确定非球面反射镜基准的方法
CN103293666B (zh) 次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统
Yang et al. Compact freeform off-axis three-mirror imaging system based on the integration of primary and tertiary mirrors on one single surface
CN104122900A (zh) 一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统
CN103424870B (zh) 产生柱矢量光束的装置及方法
CN108506893A (zh) 一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法
CN103521790A (zh) 可提高光学定中心精度的定轴工装及光学定中心判读方法
CN114005571B (zh) 准一维冷原子源制备装置及方法
CN106125264A (zh) 超高灵敏度型中波制冷红外无热化镜头及其工作方法
CN104296739B (zh) 一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头
CN108466107A (zh) 一种利用离轴三反成像系统的加工装置及加工方法
CN103345038A (zh) 角锥棱镜立式光学定轴系统及方法
CN103345039B (zh) 角锥棱镜水平式光学定轴系统及方法
CN103018901B (zh) 一种红外搜索和跟踪一体化光学成像系统
CN105149774B (zh) 一种用于激光‑等离子弧同轴复合焊的光束整形方法
CN103345072A (zh) 中孔透镜光学光轴定位系统及方法
CN104049353B (zh) 基于瞳孔遮挡的离焦的太阳望远镜导星镜
CN114152249B (zh) 一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置及方法
JP3040812B2 (ja) レーザービームのモード特性測定装置及びレーザー光集束レンズ系
CN203365782U (zh) 角锥棱镜水平式光学定轴系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant