CN108770177B - 空芯反共振光纤冷原子束流导引与通量探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空芯反共振光纤冷原子束流导引与通量探测方法及装置，属于量子传感技术领域。所述方法包括步骤：步骤一、冷却原子与产生冷原子束流；步骤二、利用导引激光激发空芯反共振光纤中的基模高斯光束对冷原子束流进行导引；步骤三、对空芯反共振光纤输出端的冷原子束流的原子通量进行探测。本发明还公开了一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测装置，所述装置具体包括：冷原子束流产生部分、冷原子束流导引部分以及冷原子束流探测部分。利用本发明的方法和装置可导引连续冷原子束流，解决了冷原子束流耦合进空芯反共振光纤内效率低的难题，同时采用平衡探测法与微弱信号检测技术相结合的方案，提高了测量分辨率。

Description

空芯反共振光纤冷原子束流导引与通量探测方法及装置

技术领域

本发明属于量子传感技术领域，具体涉及一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测方法及其装置。

背景技术

激光冷却可使原子达到很低的动能，其徳布罗意波长远大于通常情况下原子的线度，甚至达到光波波长的程度，从而使物质波及其干涉现象成为更广泛的物理实验的对象，进而产生了许多利用原子干涉现象作为技术应用的工具。将原子从一处输运到另一处，即原子导引，是原子干涉仪的关键和前提。而由于光纤的柔韧性和易操控性，使得采用空芯反共振光纤的原子导引技术更具应用价值。

利用空芯反共振光纤对原子进行导引是利用纤芯内传播的红失谐或蓝失谐激光对原子的偶极力作用，对原子进行横向约束，使原子在其纵向初速度的作用下沿偶极势场传播路径运动的过程。空芯反共振光纤导引原子主要包含两个过程，即首先将原子从空间位置耦合至光纤纤芯内部，再沿光纤径向进行传输。由于光纤中传输的基模光场在原子输入端(激光输出端)会急剧发散，中心光强急剧减小，导致激光对原子的横向束缚力随原子与光纤间距离的增大显著降低，使大部分原子在其横向速度的作用下逃逸出偶极力势阱的作用范围。因此，原子从空间进入光纤纤芯的耦合过程是造成原子损失的一个主要因素。

现有的导引技术中基于的原子源大部分为使用3D-MOT技术俘获的冷原子团。冷原子与光纤端面距离越近时，原子感受到的横向偶极力的束缚作用越强，但受到3D-MOT技术中三束对射冷却光的空间位置制约，冷原子团的形成位置不可避免的距光纤端面仍有一段距离(约10mm)。

随着对光纤导引原子的研究不断深入，产生了多种将冷原子团转移至光纤纤芯内的实验方案。传统的基于空芯反共振光纤的原子导引技术是采用脉冲式的工作方式：在光纤邻近区域制备冷原子团，然后在空间中外加一束与原子运动方向相同的传播光束形成一个辅助的场外势阱，通过调节其余偶极势阱的相对大小形成光学传送带，将原子团装载至纤芯内部；或使冷原子团在其自身重力的作用下自由下落掉进光纤模场中。

这两种方法虽然成功的将原子装载进光纤中，但工作模式是脉冲型的，即一次只能等待俘获了一定数量的原子并形成冷原子团后，再将原子团作为整体沿光纤轴向进行导引。然而，实际应用中的原子干涉仪需要连续的冷原子束流，因此传统的实验手段不能满足原子干涉等技术应用的要求。

另外，现有的利用空芯反共振光纤导引冷原子的实验方案中，原子导引效率普遍较低。冷原子束流信号往往低于使用标准探测方法，如CCD(电荷耦合元件)成像或共振吸收法的探测极限，极易湮没在背景或光路抖动带来的噪声中。因此空芯反共振光纤导引冷原子技术对探测方案的测量分辨率有了更严格的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法及其装置，所述方法利用导引激光在空芯反共振光纤的纤芯内激发基模高斯光束，使得纤芯内外均形成高斯型偶极力势阱，在高斯型偶极力势阱的偶极力作用下耦合并导引冷原子束流；并在空芯反共振光纤输出端利用共振吸收与微弱信号检测技术相结合，进而检测原子束流通量。

本发明提供的一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，具体包括如下步骤：

步骤一、冷却原子与产生冷原子束流；

冷却原子与产生冷原子束流在真空原子源腔中进行。所述真空原子源腔为长方体结构，通过真空通道与真空探测腔连通。所述真空原子源腔的上下面、前后面及左侧面均设置有透视玻璃窗口；三对地磁补偿线圈分别位于真空原子源腔的腔体外侧，用于补偿地磁产生的磁场不平衡，两个亥姆霍兹线圈放置于真空原子源腔的左侧和右侧，两个亥姆霍兹线圈的电流方向相反，用于产生梯度磁场，梯度磁场的零点位置位于真空原子源腔的腔体几何中心与右侧面之间的位置，三束冷却激光分别沿两两互相垂直相交的方向入射到真空原子源腔中，并分别被三个1/4λ波片反射镜反射，形成对射光束；三对对射的冷却激光在真空原子源腔的腔体中相交，形成冷却激光束重叠区域。所述冷却激光束重叠区域距空芯反共振光纤输入端面端面约10mm。产生冷原子束流的实验过程中，需调节两个亥姆霍兹线圈中的电流大小，使梯度磁场的零点位置与冷却激光的相交位置重合。在梯度磁场与冷却激光的共同作用下，位于真空原子源腔中的原子被冷却减速并趋近于冷却激光束重叠区域。其中安装于真空原子源腔右侧面内表面的1/4λ波片反射镜中心打有小孔，所述小孔与真空通道连通并同轴。入射在该真空原子源腔右侧面内表面1/4λ波片反射镜的四周位置的冷却激光被反射，而入射在小孔处的冷却激光不被反射，因此造成真空原子源腔中冷却激光束形成的冷却光场的不平衡，位于真空原子源腔内的原子被冷却激光冷却并俘获后在冷却激光束重叠区域形成冷原子团，冷原子团在冷却激光产生的不平衡的冷却光场的作用下向右侧运动形成冷原子束流，冷原子束流被推向1/4λ波片反射镜的中心小孔处。

所述的1/4λ波片反射镜通过在1/4λ波片上涂覆反射膜形成。

步骤二、利用导引激光激发空芯反共振光纤中的基模高斯光束对冷原子束流进行导引；

导引激光经位于真空原子源腔外的扩束透镜组的扩束与聚焦后，耦合进真空原子源腔内的空芯反共振光纤中，并激发空芯反共振光纤的纤芯中的基模高斯光束，在纤芯内外均形成高斯型偶极力势阱，所述的高斯型偶极力势阱的势阱深度在纤芯内均匀分布，在纤芯外，随着与空芯反共振光纤输入端面的距离的增大偶极力势阱显著衰减，高斯型偶极力势阱将冷原子束流俘获后耦合进空芯反共振光纤中。空芯反共振光纤的纤芯中均匀分布的高斯型偶极力势阱将耦合进空芯反共振光纤中的冷原子束流横向囚禁于空芯反共振光纤的纤芯中心区域，冷原子束流保持进入空芯反共振光纤时的运动速度，沿空芯反共振光纤的轴向匀速运动传输至真空探测腔。

步骤三、对空芯反共振光纤输出端的冷原子束流的原子通量进行探测；

采用共振吸收法探测冷原子束流，并使用平衡探测法与微弱信号检测技术相结合提取微弱信号强度，计算空芯反共振光纤输出端的冷原子束流中冷原子的数目及原子通量。

具体为：

利用一束微弱(功率约10μW)的探测光垂直于冷原子束流运动方向照射通过空芯反共振光纤的冷原子束流，探测光频率与冷原子跃迁频率共振，使所述冷原子束流中的冷原子跃迁并吸收一部分探测光功率，实现共振吸收；再使用平衡探测法，将共振吸收中得到的探测光功率的损失转化为电压信号并滤除掉光路中的共模噪声；最后采用微弱信号检测技术，放大并提取电压信号(微弱信号)，即可计算出空芯反共振光纤输出端的冷原子束流的原子通量。

本发明还提供一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测装置，所述装置具体包括：冷原子束流产生部分、冷原子束流导引部分以及冷原子束流探测部分，利用所述的冷原子束流产生部分产生冷原子束流，并利用冷原子束流导引部分对所产生的冷原子束流进行导引，最后通过冷原子束流探测部分对所述冷原子束流的原子通量进行探测。其中所述冷原子束流产生部分包括：真空原子源腔、三对地磁补偿线圈、一对亥姆霍兹线圈和三个1/4λ波片反射镜，所述的三对地磁补偿线圈分别位于真空原子源腔的腔体外侧，一对亥姆霍兹线圈放置于真空原子源腔的左侧和右侧，1/4λ波片反射镜共有三个，其中一个安装于真空原子源腔的右侧面的内表面，其余两方向光路中的1/4λ波片反射镜安装于真空原子源腔的腔体外侧，其中安装于腔体内部的1/4λ波片反射镜中心具有小孔。所述冷原子束流导引部分包括：真空探测腔、空芯反共振光纤、真空管道、可移动机构、导引激光器、CCD和扩束透镜组，空芯反共振光纤通过光纤夹具连接在可移动机构上，所述的空芯反共振光纤位于真空管道内，一端位于真空原子源腔的小孔处，另一端位于真空探测腔内。真空原子源腔和真空探测腔之间通过真空管道连通；导引激光器产生的导引激光经过扩束透镜组扩束后，经两个反射镜反射以及聚焦透镜聚焦，从空芯反共振光纤的输出端进入空芯反共振光纤的纤芯中；所述CCD共有2个，分别位于冷原子束流运动的垂直方向与水平方向。所述冷原子束流探测部分包括：探测激光器、偏振消除模块、1/2λ波片、柱面镜、偏振分光棱镜、平衡放大光电探测器、锁相放大器、示波器、信号发生器、AOM驱动模块和阻断光的AOM，探测激光器产生的探测激光依次通过偏振消除模块、1/2λ波片、柱面镜后被压缩，压缩的探测激光经过偏振分光棱镜分成探测光和参考光，参考光进入平衡放大光电探测器，平衡放大光电探测器输出端连接示波器输入端和锁相放大器输入端，锁相放大器输出端连接PC端，锁相放大器另一输入端连接信号发生器输出端，信号发生器另一输出端依次连接AOM驱动模块和阻断光的AOM。

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：

1、改变了冷原子束流导引的脉冲式工作方式，可导引连续冷原子束流，从而使原子干涉式陀螺向实用化的方向发展。

2、空芯反共振光纤沿冷原子束流输出方向可实现在±3mm范围内连续调节，提供了寻找空芯反共振光纤相对冷原子束流最优距离的实验方案，解决了冷原子束流耦合进空芯反共振光纤内效率低的难题。

3、采用平衡探测法与微弱信号检测技术相结合的方案，提高了测量分辨率，解决了冷原子束流信号强度低于探测器或CCD探测极限的问题，使湮没在环境及光路噪声中的微弱冷原子束流可被探测。

附图说明

图1为本发明中基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引示意图；

图2为本发明中可移动机构示意图；

图3为本发明中高斯型偶极力势阱深度与距光纤端面的轴向距离L的关系示意图；

图4为本发明中基于空芯反共振光纤的冷原子束流探测示意图；

图5为本发明中阻断光、探测光与空芯反共振光纤的相对位置示意图。

图中：

1、真空原子源腔； 2、真空探测腔； 3、亥姆霍兹线圈； 4、地磁补偿线圈；

5、冷却激光； 6、冷原子团； 7、1/4λ波片反射镜； 8、空芯反共振光纤；

9、真空管道； 10、可移动机构； 11、导引激光器； 12、CCD；

13、扩束透镜组； 14、探测激光器； 15、偏振消除模块； 16、1/2λ波片；

17、柱面镜； 18、偏振分光棱镜； 19、平衡放大光电探测器； 20、锁相放大器；

21、示波器； 22、信号发生器； 23、AOM驱动模块； 24、阻断光的AOM；

A、精密螺纹管； B、顶头； C、波纹管； D、拨叉拨杆机构。

具体实施方式

下面将结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，具体步骤如下：

步骤一、冷却原子与产生冷原子束流；

在三束垂直对射的冷却激光5和梯度磁场的共同作用下，真空原子源腔1中的原子被减速并趋近于激光束重叠位置，产生冷却原子；其中一束冷却激光5的入射方向的1/4λ波片反射镜7的中心设置小孔，造成冷却光场的不平衡，因此冷原子被推向小孔位置形成冷原子束流。

如图1所示，冷却原子与产生冷原子束流均在真空原子源腔1(MOT腔)中实现。其中，真空原子源腔1的高度方向为x轴，厚度方向为y轴，冷原子束流方向为z轴。

所述真空原子源腔1为长方体结构，上下面、前后面及左侧面均设置有透视玻璃窗口，右侧面通过真空管道9与真空探测腔2连通；在其中的三个透视玻璃窗口的外侧设置1/4λ波片反射镜7，用于对三束垂直对射的冷却激光5进行反射。三对地磁补偿线圈4分别位于真空原子源腔1的上下面、前后面和左右侧面的外侧面，用于补偿地磁产生的磁场不平衡。一对亥姆霍兹线圈3沿如图1中z轴方向(左右方向)放置于真空原子源腔1的左侧和右侧，所述一对亥姆霍兹线圈3中的两个亥姆霍兹线圈的电流方向相反，用于产生梯度磁场，并可以调节梯度磁场的零点位置位于真空原子源腔1的腔体几何中心和右侧面之间。三束冷却激光5由型号为TOPTICA-DL pro的激光发生器产生后分别沿如图1中x轴、z轴以及垂直于x-z平面方向入射并相交，并分别被3个透视玻璃窗口上的1/4λ波片反射镜7反射，形成对射光束，真空原子源腔1中的原子被减速和冷却。其中，x轴方向和z轴方向互相垂直，x轴方向为沿真空原子源腔1高度方向，z轴方向为沿真空原子源腔1左右长度方向，其中z轴方向光路中的1/4λ波片反射镜7安装于真空原子源腔1的右侧面的内表面，其余两方向光路中的1/4λ波片反射镜7安装于冷却激光5入射方向前方的透视玻璃窗口的外侧。三对相互垂直对射的冷却激光5在真空原子源腔1的腔体中相交，形成冷却激光束重叠区域，重叠区域距空芯反共振光纤8输入端面约10mm。产生冷原子束流的实验过程中，需调节亥姆霍兹线圈线圈3的电流大小，使梯度磁场零点位置与冷却激光束重叠区域重合。安装于腔体内部z轴方向光路中的1/4λ波片反射镜7中心具有小孔，入射在该1/4λ波片反射镜7上小孔四周位置的冷却激光5被反射，而入射在小孔处的冷却激光5不被反射，因此在真空原子源腔1中沿z轴方向冷却激光5形成不平衡的冷却光场，真空原子源腔1的腔体中弥漫的原子被三束对射的冷却激光5冷却并俘获后，在冷却激光束重叠区域形成冷原子团6，冷原子团6中的冷原子在沿z轴方向形成的不平衡的冷却光场的作用下运动，形成冷原子束流，冷原子束流逐渐被推向1/4λ波片反射镜7的中心小孔处。

所述1/4λ波片反射镜7中心具有的小孔为直径1mm的通孔，所述空心反共振光纤8的输入端面位于小孔处。所述的三个1/4λ波片反射镜7分别设置在所述真空原子源腔1的右侧面、前侧面和下侧面。

所述激光发生器型号为TOPTICA-DL pro，保持常开状态，且连续输出激光。即冷原子团6形成的冷原子束流进入空芯反共振光纤8的同时，位于真空原子源腔1内的原子也被冷却与减速，源源不断的补充到冷原子束流中，保证了进入空芯反共振光纤8的冷原子束流的连续。

在三维空间中，冷原子束流相对空芯反共振光纤8输入端面的位置有较大的可调范围，而只有冷原子束流方向与空芯反共振光纤8长轴方向完全对准时才满足耦合最优条件。因此在冷原子束流运动的垂直方向与水平方向(即xy平面内)各放置一CCD(电荷耦合器件，型号Andor iXon Ultra 897)12用于实时监控冷原子束流方向与空芯反共振光纤8长轴方向的相对位置，所述CCD12共有2个。当所述CCD12检测到冷原子束流方向与空芯反共振光纤8长轴方向间有角度偏移时，说明梯度磁场零点位置与冷却激光束重叠区域的位置发生了偏移，可以通过调节亥姆霍兹线圈线圈3的电流大小，使梯度磁场零点位置与冷却激光束重叠区域再次重合，使冷原子团6形成的冷原子束流方向与空芯反共振光纤8的长轴方向精确对准。

步骤二、利用导引激光激发空芯反共振光纤8中的基模高斯光束对所述冷原子束流进行导引。

空芯反共振光纤8固定于光纤夹具上，光纤夹具放置于连接真空原子源腔1及真空探测腔2的真空管道9内，空芯反共振光纤8输出端面位于真空探测腔2内部中心位置，输入端面位于真空原子源腔1右侧面上1/4λ波片反射镜7中心具有的小孔内。导引激光经1064nm导引激光器11(线宽约10KHz)产生后由准直器准直输出为束腰直径约1mm的准直激光，准直激光经透镜套筒中的扩束透镜组13扩束后，经两个反射镜反射以及聚焦透镜聚焦，焦点位置位于真空探测腔2腔体内的空芯反共振光纤8输出端面上。导引激光从空芯反共振光纤的输出端进入空芯反共振光纤8的纤芯中，激发纤芯中的基模高斯光束，在空芯反共振光纤8纤芯内外均形成高斯型偶极力势阱。

冷原子团6在z方向不平衡的冷却光场的作用下运动形成冷原子束流，冷原子束流运动后离开冷却激光束重叠区域，在x、y方向继续被冷却的同时沿z方向加速运动至光纤近场，若冷原子束流的横向动能小于位于空芯反共振光纤8输入端面的高斯型偶极力势阱的势阱深度，则高斯型偶极力势阱可将冷原子束流俘获并将冷原子束流耦合进空芯反共振光纤8中，空芯反共振光纤8的纤芯中的均匀分布的高斯型偶极力势阱将耦合进空芯反共振光纤8中的冷原子束流横向囚禁于空芯反共振光纤8的纤芯中心区域，冷原子束流保持进入空芯反共振光纤8时的运动速度，沿空芯反共振光纤8的轴向匀速运动，传输至真空探测腔2。

空芯反共振光纤8的纤芯中传输的基模高斯光束形成的高斯型偶极力势阱的势阱深度在纤芯内均匀分布，在空芯反共振光纤8外随着与空芯反共振光纤8输入端面的轴向距离L的增大，偶极力势阱显著衰减，具体如图3所示，以中空直径为10μm的空芯反共振光纤8为例，能够对冷原子束流产生明显约束作用的高斯型偶极力势阱区域约为距空芯反共振光纤8输入端面轴向距离L为1mm左右的范围内，实验中冷原子束流呈中空锥体的形状收缩，若冷原子束流聚焦的位置即焦点恰好与空芯反共振光纤8输入端面重合，则进入空芯反共振光纤8的纤芯中的冷原子束流密度最大，可被俘获的冷原子数目最多。

由于冷原子束流聚焦位置随冷却激光失谐量、光强和磁场梯度等因素的变化而改变，本发明采用了可移动机构10的设计来调节所述的轴向距离L在最佳位置。如图2所示，所述的可移动机构10包括精密螺纹杆A、顶头B、波纹管C、拨叉拨杆机构D，所述精密螺纹杆A和顶头B水平固定在所述的真空管道9的管道壁上，在所述的精密螺纹杆A和顶头B之间夹持所述波纹管C，波纹管C竖直，末端连接拨叉拨杆机构D，并通过拨叉拨杆机构D连接光纤夹具，所述光纤夹具上固定有本发明中的空芯反共振光纤8。当调节精密螺纹杆A在水平方向转动时，前进方向与顶头B配合对所述波纹管C施加横向力，使得波纹管C的末端产生横向位移，并通过拨叉拨杆机构D带动光纤夹具同步移动，实现对所述空芯反共振光纤8的轴向移动的精密控制，使得冷原子束流聚焦的位置与所述的空芯反共振光纤8的输入端面重合。空芯反共振光纤8沿z轴在±3mm范围内移动，单位移动精度约1μm。

当上述步骤一中，调节梯度磁场零点位置使冷原子束流运动方向与空芯反共振光纤8长轴方向精确对准后，如果冷原子束流的聚焦位置与空芯反共振光纤8输入端口的端面并未重合，可调节可移动机构10，使空芯反共振光纤8沿z轴运动，从而使空芯反共振光纤8的输入端面与冷原子束流的聚焦位置重合。

步骤三、对被导引的冷原子束流的原子通量进行探测；

判断冷原子束流是否被成功导引至真空探测腔2需要在空芯反共振光纤8输出端口即冷原子束流输出端设置探测器等光电测量装置。本发明中采用共振吸收法探测冷原子束流，并使用平衡探测法与微弱信号检测技术相结合提取微小信号强度，计算被导引的冷原子束流中冷原子的数目及原子通量，具体为：

如图5，所述的共振吸收法具体为：利用一束微弱(功率约10μW)的探测光垂直于(沿y轴)冷原子束流运动方向照射并通过空芯反共振光纤8的冷原子束流，探测光频率与原子跃迁频率共振，使所述冷原子束流中的冷原子跃迁并吸收一部分探测光功率。

再使用平衡探测法，将共振吸收法中得到的探测光功率的损失转化为电压信号并滤除掉光路中的共模噪声；最后采用微弱信号检测技术，放大并提取湮没在环境及电路噪声中的电压信号，即可计算出被导引的冷原子束流的原子通量。

如图4所示，由探测激光器14产生探测激光，探测激光的频率与冷原子束流自然跃迁频率共振；探测激光经准直器准直输出后，经过偏振消除模块15进行偏振滤除，再依次通过1/2λ波片16和柱面镜17，在z方向被压缩成长1mm，x方向被压缩后形成宽0.5mm的探测激光。该压缩后的探测激光经过偏振分光棱镜18两次反射后分成两束激光，其中一束作为探测光，另一束作为参考光。如图5所示，所述探测光的传播方向与冷原子束流速度方向垂直，沿y方向通过空心反共振光纤8的输出的冷原子束流；所述参考光位于空芯反共振光纤8及探测光所形成的平面上方约20mm处，与探测光平行，如图4。通过冷原子束流输出位置的探测光与未通过冷原子束流输出位置的参考光共同被耦合进平衡放大光电探测器19中，经功率相减并放大等处理，以电压信号作为输出。该电压信号是冷原子束流吸收的探测光功率的对应量。所述电压信号可发送至示波器21直接输出显示。

旋转1/2λ波片16可以调节偏振分光棱镜18的分光比例。在进行冷原子束流导引之前应调节1/2λ波片16，使参考光和探测光的功率相等，从而使平衡放大光电探测器19电压信号置零。使用平衡探测可抑制光路的共模噪声，从干扰噪声中得到信号路中的微小变化。

由于现有的利用空芯反共振光纤8导引冷原子束流的实验方案中，冷原子束流导引效率普遍较低，导致冷原子束流信号极微弱，易湮没在环境及电路噪声中难以被读取。因此本发明中额外地采用了微弱信号检测的方法，用于提取上述平衡探测法得到的微弱信号，具体为：

使用信号发生器22产生两路相位、幅值及频率完全相同的高频调制方波，一路作为AOM(声光调制器)驱动模块23的启动电压信号来控制阻断光的AOM 24以高频进行开关循环；一路作为锁相放大器20的参考信号输入。如图5所示，阻断光的AOM 24产生的阻断光沿x轴垂直入射进真空探测腔2中，位于空芯反共振光纤8输出端面与探测光之间。当阻断光打开时，空芯反共振光纤8导引输出的冷原子束流被打断；阻断光关闭时，冷原子束流可运动至探测光区域。利用锁相放大器20将平衡放大光电探测器19输出的电压信号与信号发生器22产生的参考信号进行相干检测，利用Matlab储存并处理检测数据，即可计算得到冷原子束流的原子通量。该技术能够测量的最小电信号强度约为μV量级，对应的冷原子束流的原子通量约为10⁵/s。

本发明还提供一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的装置，所述装置具体包括：冷原子束流产生部分、冷原子束流导引部分以及冷原子束流探测部分；其中所述冷原子束流产生部分包括：真空原子源腔1、地磁补偿线圈4、亥姆霍兹线圈3、冷却激光5和1/4λ波片反射镜7，三对地磁补偿线圈4分别位于真空原子源腔1的上下面、前后面和左右侧面的腔体外侧，一对亥姆霍兹线圈3放置于真空原子源腔1的左侧和右侧，三束冷却激光5在真空原子源腔1内两两互相垂直，1/4λ波片反射镜7共有三个，其中一个沿真空原子源腔1左右方向光路中的1/4λ波片反射镜7安装于真空原子源腔1的腔体内部，其余两方向光路中的1/4λ波片反射镜7安装于真空原子源腔1的腔体外侧，其中安装于腔体内部的1/4λ波片反射镜7中心具有小孔。

所述冷原子束流导引部分包括：真空探测腔2、空芯反共振光纤8、真空管道9、可移动机构10、导引激光器11、CCD 12和扩束透镜组13，空芯反共振光纤8固定于光纤夹具上，光纤夹具放置于真空管道9内，真空管道9位于真空原子源腔1和真空探测腔2之间，导引激光器11产生的导引激光经过扩束透镜组13进入空芯反共振光纤8，所述CCD12共有2个，分别位于冷原子束流运动的垂直方向与水平方向，可移动机构10与空心反共振关光纤8通过光纤夹具连接，实现对空心反共振关光纤8的移动控制。

所述冷原子束流探测部分包括：探测激光器14、偏振消除模块15、1/2λ波片16、柱面镜17、偏振分光棱镜18、平衡放大光电探测器19、锁相放大器20、示波器21、信号发生器22、AOM(声光调制器)驱动模块23和阻断光的AOM24，探测激光器14产生的探测激光依次通过偏振消除模块15、1/2λ波片16、柱面镜17后被压缩，压缩的探测激光经过偏振分光棱镜18分成探测光和参考光，参考光进入平衡放大光电探测器19，平衡放大光电探测器19输出端连接示波器21输入端和锁相放大器20输入端，锁相放大器20输出端连接PC端，锁相放大器20另一输入端连接信号发生器22输出端，信号发生器22另一输出端依次连接AOM驱动模块23和阻断光的AOM24。利用所述装置的冷原子束流产生部分产生冷原子束流，并利用冷原子束流导引部分对所产生的冷原子束流进行导引，最后通过冷原子束流探测部分对所述冷原子束流的原子通量进行探测。

本发明提出了一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测方法及装置，解决了实验过程中冷原子束流与空芯反共振光纤8相对位置不可调的问题，保证了空芯反共振光纤8有较高的调节范围与调节精度；并采用平衡探测与微弱信号检测相结合的测量方案，确立了测量μV量级信号的可行性；解决了传统的冷原子束流导引过程中无法连续导引冷原子束流的问题，为冷原子束流干涉式陀螺向实用化的方向发展奠定了基础。

Claims (7)

1.一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一、冷却原子与产生冷原子束流；

步骤二、利用导引激光激发空芯反共振光纤中的基模高斯光束对冷原子束流进行导引；

步骤三、对空芯反共振光纤输出端的冷原子束流的原子通量进行探测，具体为：

采用共振吸收法探测冷原子束流，并使用平衡探测法与微弱信号检测方法相结合提取微小信号强度，计算空芯反共振光纤输出端的冷原子束流中冷原子的数目及原子通量；

所述共振吸收法具体为：

利用一束功率10μW的探测光垂直于冷原子束流运动方向照射通过空芯反共振光纤的冷原子束流，探测光频率与冷原子跃迁频率共振，使所述冷原子束流中的冷原子跃迁并吸收一部分探测光功率，实现共振吸收；

所述平衡探测法具体为：

探测激光经准直器准直输出后，经过偏振消除模块进行偏振滤除，再依次通过1/2λ波片和柱面镜，在z方向被压缩成长1mm，x方向被压缩后形成宽0.5mm的探测激光；该压缩后的探测激光经过偏振分光棱镜两次反射后分成两束激光，其中一束作为探测光，另一束作为参考光；所述探测光的传播方向与冷原子束流速度方向垂直，沿y方向通过空心反共振光纤输出的冷原子束流；所述参考光位于空芯反共振光纤及探测光所形成的平面上方20mm处，与探测光平行，通过冷原子束流输出位置的探测光与未通过冷原子束流输出位置的参考光共同被耦合进平衡放大光电探测器中，经功率相减并放大处理，以电压信号作为输出；该电压信号是冷原子束流吸收的探测光功率的对应量，所述电压信号可发送至示波器直接输出显示；

所述参考光和探测光的功率相等；

采用微弱信号检测的方法，提取上述平衡探测法得到的电压信号，具体为：

使用信号发生器产生两路相位、幅值及频率完全相同的高频调制方波，一路作为AOM驱动模块的启动电信号来控制阻断光的AOM以高频进行开关循环；一路作为锁相放大器的参考信号输入，阻断光沿x轴垂直入射进真空探测腔中，位于空芯反共振光纤输出端面与探测光之间；当阻断光打开时，空芯反共振光纤导引输出的冷原子束流被打断；阻断光关闭时，冷原子束流运动至探测光区域；利用锁相放大器将平衡放大光电探测器输出的电信号与信号发生器产生的参考信号进行相干检测，利用Matlab储存并处理检测数据，进而计算得到冷原子束流的原子通量。

2.如权利要求1所述的基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，其特征在于，所述冷却原子与产生冷原子束流在真空原子源腔中进行，具体为：

所述真空原子源腔为长方体结构，通过真空通道与真空探测腔连通，所述真空原子源腔的上下面、前后面及左侧面均设置有透视玻璃窗口；三对地磁补偿线圈分别位于真空原子源腔的腔体外侧，用于补偿地磁产生的磁场不平衡，两个亥姆霍兹线圈放置于真空原子源腔的左侧和右侧，两个亥姆霍兹线圈的电流方向相反，用于产生梯度磁场，梯度磁场的零点位置位于真空原子源腔的腔体几何中心与右侧面之间的位置，三束冷却激光分别沿两两互相垂直相交的方向入射到真空原子源腔中，并分别被三个1/4λ波片反射镜反射，形成对射光束；三对对射的冷却激光在真空原子源腔的腔体中相交，形成冷却激光束重叠区域；调节两个亥姆霍兹线圈中的电流大小，使梯度磁场的零点位置与冷却激光的相交位置重合；在梯度磁场与冷却激光的共同作用下，位于真空原子源腔中的原子被冷却减速并趋近于冷却激光束重叠区域；其中安装于真空原子源腔右侧面内表面的1/4λ波片反射镜中心打有小孔，入射在该真空原子源腔右侧面内表面1/4λ波片反射镜的四周位置的冷却激光被反射，而入射在小孔处的冷却激光不被反射，因此造成真空原子源腔中冷却激光束形成的冷却光场的不平衡，位于真空原子源腔内的原子被冷却激光冷却并俘获后在冷却激光束重叠区域形成冷原子团，冷原子团在冷却激光产生的不平衡的冷却光场的作用下向右侧运动形成冷原子束流，冷原子束流被推向1/4λ波片反射镜的中心小孔处，进入空芯反共振光纤。

3.如权利要求2所述的基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，其特征在于，当检测到冷原子束流方向与空芯反共振光纤长轴方向间有角度偏移时，说明梯度磁场零点位置与冷却激光束重叠区域的位置发生了偏移，此时通过调节亥姆霍兹线圈的电流大小，使梯度磁场零点位置与冷却激光束重叠区域再次重合，使冷原子团形成的冷原子束流方向与空芯反共振光纤的长轴方向精确对准；如果冷原子束流的聚焦位置与空芯反共振光纤输入端口的端面并未重合，调节空芯反共振光纤沿z轴运动，从而使空芯反共振光纤的输入端面与冷原子束流的聚焦位置重合。

4.如权利要求3所述的基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，其特征在于，所述冷却激光的激光发生器型号为TOPTICA-DL pro，保持常开状态，且连续发出激光；冷原子团形成的冷原子束流进入空芯反共振光纤的同时，位于真空原子源腔内的原子被冷却与减速，源源不断的补充到冷原子束流中，形成连续的冷原子束流。

5.如权利要求1所述的基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测的方法，其特征在于，步骤二所述利用导引激光激发空芯反共振光纤中的基模高斯光束对冷原子束流进行导引，具体为：

导引激光耦合进空芯反共振光纤中并激发纤芯中的基模高斯光束，在纤芯内外均形成高斯型偶极力势阱，高斯型偶极力势阱将冷原子束流俘获后耦合进空芯反共振光纤中，冷原子束流保持进入空芯反共振光纤时的运动速度，沿空芯反共振光纤的轴向匀速运动传输至真空探测腔。

6.一种基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测装置，其特征在于，所述装置具体包括：冷原子束流产生部分、冷原子束流导引部分以及冷原子束流探测部分，利用所述的冷原子束流产生部分产生冷原子束流，并利用冷原子束流导引部分对所产生的冷原子束流进行导引，最后通过冷原子束流探测部分对所述冷原子束流的原子通量进行探测；

所述冷原子束流产生部分包括：真空原子源腔、三对地磁补偿线圈、一对亥姆霍兹线圈和三个1/4λ波片反射镜，所述的三对地磁补偿线圈分别位于真空原子源腔的腔体外侧，一对亥姆霍兹线圈放置于真空原子源腔的左侧和右侧，1/4λ波片反射镜共有三个，其中一个安装于真空原子源腔的右侧面的内表面，其余两方向光路中的1/4λ波片反射镜安装于真空原子源腔的腔体外侧，其中安装于腔体内部的1/4λ波片反射镜中心具有小孔；

所述冷原子束流导引部分包括：真空探测腔、空芯反共振光纤、真空管道、可移动机构、导引激光器、CCD和扩束透镜组，空芯反共振光纤通过光纤夹具连接在可移动机构上，所述的空芯反共振光纤位于真空管道内，一端位于真空原子源腔内具有小孔的1/4λ波片反射镜的小孔处，另一端位于真空探测腔内，真空原子源腔和真空探测腔之间通过真空管道连通；导引激光器产生的导引激光经过扩束透镜组扩束后，经两个反射镜反射以及聚焦透镜聚焦，从空芯反共振光纤的输出端面进入空芯反共振光纤的纤芯中；所述CCD共有2个，分别位于冷原子束流运动的垂直方向与水平方向；

所述冷原子束流探测部分包括：探测激光器、偏振消除模块、1/2λ波片、柱面镜、偏振分光棱镜、平衡放大光电探测器、锁相放大器、示波器、信号发生器、AOM驱动模块和阻断光的AOM，探测激光器产生的探测激光依次通过偏振消除模块、1/2λ波片、柱面镜后被压缩，压缩的探测激光经过偏振分光棱镜分成探测光和参考光，参考光进入平衡放大光电探测器，平衡放大光电探测器输出端连接示波器输入端和锁相放大器输入端，锁相放大器输出端连接PC端，锁相放大器另一输入端连接信号发生器输出端，信号发生器另一输出端依次连接AOM驱动模块和阻断光的AOM。

7.如权利要求6所述的基于空芯反共振光纤的冷原子束流导引与原子通量探测装置，其特征在于，所述的可移动机构包括精密螺纹杆、顶头、波纹管和拨叉拨杆机构，所述精密螺纹杆和顶头水平固定在所述的真空管道的管道壁上，在所述的精密螺纹杆和顶头之间夹持所述波纹管，波纹管竖直，末端连接拨叉拨杆机构，并通过拨叉拨杆机构连接光纤夹具，实现对空心反共振光纤在长轴方向的移动调整。