CN108872178B - 光晶格成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种光晶格成像装置,在安装板上设置有原子源、真空装置、零度高反镜、镜筒、CCD成像装置、探测激光器、晶格光激光器，真空装置设置于原子源、探测光激光器、晶格光激光器的光出射方向上，零度高反镜设置于晶格光激光器的正对面，镜筒和CCD成像装置的中心线重合且垂直于晶格光的传播方向，镜筒内设置有透镜组，所述的透镜组自左向右依次为凸透镜、平凸透镜、凹面镜、第一弯月透镜、第二弯月透镜、平凹透镜；本发明用较大的口径以提高荧光收集效率、较大的空间分辨率以充分利用CCD的分辨率、较小的畸变减小实验误差，可推广应用到光晶格成像装置领域。

Description

光晶格成像装置
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及到一种用于对装载于光晶格的原子团成像的透镜装置。
背景技术
大多数冷原子实验和光晶格钟的研究过程中，都需要原子装载于光晶格里面，以便消除多普勒效应和光子反冲频移同时极大的减小了原子间的碰撞。在精密原子光谱测量、玻色—爱因斯坦凝聚和光晶格原子钟等研究中，光晶格装载几乎地必须的。
光晶格是指由一束高斯光束经过汇聚后打入真空腔中，再由一面反射镜将光束原路返回，入射光和反射光需要完全重合，特别是两者的束腰位置必须重合，这样入射光和反射光便会相互干涉形成驻波。晶格光频率与原子的跃迁频率远失谐，因此不与原子发生共振吸收(那样会加热原子)。原子在这样光场中，会被“驱赶”到驻波的波峰或者波谷(取决于晶格光是红失谐还是蓝失谐)。而晶格能俘获住的最热的原子的能量，就是晶格的阱深，例如在87Sr光晶格钟里面用到的晶格光的阱深一般在56ER左右(ER为光子反冲能量)。这个能量对应的温度一般在10uK左右(具体值与晶格光的波长和原子的质量有关，此处的值对应于87Sr原子并且晶格光的波长为813nm)。所以一般有原子源喷出的原子需要经过预冷，其温度达到uK量级时才能装载进光晶格。
而光晶格的阱深和长度常常是研究人员所关心的，一般研究人员通过测量光晶格束腰大小来确定晶格光的束腰，通过功率计可测量晶格光的功率，从而计算出阱深。其表达式为：
Figure BDA0001759176580000011
上式中αi是原子在i态上的极化率，其值可以在相应的文献中找到，λL是晶格光的波长，P是晶格光的功率，ε0是真空电导率，c是真空里面的光速，h是普朗克常数，ω0是晶格光的束腰(半径)，ER是光子反冲能量。由此可见，光晶格阱深表达式中只有功率和束腰大小需要测量，而功率测量比较简单，用一个精度较高的功率计便可完成，相比之下，束腰的测量就比较难了，虽然可以理论计算出一个束腰的值，但实际情况还是很不一样的，而且其影响较大(与其四次方成反比)，测量的误差对结果影响很大。
测量大都是经过一个透镜组利用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)进行成像。一般而言，原子晶格中的原子位于真空腔内，其径向(垂直于晶格光传播方向)直径为100um左右，距离窗口片十几个厘米。这种情况下最求像质和大市场的商业化的成像镜头对像几乎没有什么放大能力，也就是说，其近轴放大倍数很小。这样就不能充分的利用CCD的感光面，在造成资源浪费的同时给测量也带来了不便。因为，我们是通过数像面上光晶格轴向和径向上的像素点，结合镜头的近轴放大倍数来计算光晶格的长度和束腰大小，当镜头放大倍数很小时其测量误差就会很大。特别有的时候需要看看晶格中原子团的形状随外界环境的变化，当镜头放大倍数很小的时候，这是很难实现的。
另外，当前在评价镜头的性能时，较为科学的方法是看其调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)曲线，这是一种测定光学空间频率的方法，其是以每毫米的范围内能呈现黑白两条线的线对数量。也就是说利用正弦光栅(黑白相间的栅格)进行测试。正弦光栅的线条疏密度又称为空间频率，其单位为lp/mm。更进一步的说，即是镜头的对比度和分辨率。每毫米能够分辨出的线对数就是分辨率，其单位是线对/毫米(lp/mm)。对比度也叫对比度，是反映光栅中最高亮与最暗的差别的值，利用调制的方法表示对比度，即假设光栅的照度的最大值为Imax，照度的最小值为Imin。因此：
对比度＝(照度的最大值—照度的最小值)/(照度的最大值+照度的最小值)
调制度M＝(Imax－Imin)/(Imax+Imin)
显然调制度的值会介于0与1之间。当调制度越大，对比度越大，也就是照度最大值和照度最小值的差异越大。
另外，镜头成像的调制度随空间频率变化的函数称为调制度传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)。对于原来调制度为M的正弦光栅，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为M’，则MTF函数值为：
MTF值＝M’/M
由此可见，MTF值必定大于0，小于1。MTF值越接近1，说明镜头的性能越优异。
调制传递函数可以评价除畸变外所有的像差，但实验需要镜头的畸变较小，因此需要评价畸变的大小。畸变是指物体通过镜头成像时，实际像面与理想像面间产产生形变，或者说物体成像后，物体的像并非实际物体的等比例缩放，由于局部放大率不等而使物体的像产生形变。
通常畸变的计算公式为：
Dist＝100*(Ychief-Yref)/Yref
其中Ychief是指实际主光线在像面的高度，Yref指参考光线通过市场比例缩放后在像面上的高度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述光晶格成像装置中商业镜头近轴放大倍数小的缺点,提供一种较大的口径以提高荧光收集效率、较大的空间分辨率以充分利用CCD的分辨率、较小的畸变减小实验误差的光晶格成像装置。
解决上述技术问题采用的技术方案是：在安装板上设置有原子源、真空装置、零度高反镜、镜筒、CCD成像装置、探测激光器、晶格光激光器，真空装置设置于原子源、探测光激光器、晶格光激光器的光出射方向上，零度高反镜设置于晶格光激光器的正对面，镜筒和CCD成像装置的中心线重合且垂直于晶格光的传播方向，镜筒内设置有透镜组，所述的透镜组自左向右依次为凸透镜、平凸透镜、凹面镜、第一弯月透镜、第二弯月透镜、平凹透镜。
本发明的镜筒左端距真空装置中心的距离为18cm。
本发明的透镜组的近轴放大倍数为5倍，畸变小于0.05％，MTF值在1201p/mm处大于0.2。
本发明的零度高反镜上真空交替蒸镀有14层氟化镁和氟化钙高反膜。
本发明的凸透镜S1表面的曲率半径为714.6mm、S1表面到S2表面的距离为7.6mm、折射率为1.8、阿贝尔数25.5、镜面半高为35.1mm；凸透镜S2表面的曲率半径为-145.2mm、S2表面到S3表面的距离为53.8mm、镜面半高为35.4mm；所述的平凸透镜S3表面的曲率半径为172.7mm、S3表面到S4表面的距离为7.8mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为31.9mm；平凸透镜S4表面到S5表面的距离为33.3mm、镜面半高为31.4mm；所述的凹面镜S5表面的曲率半径为-87.3mm、S5表面到S6表面的距离为6.2mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为26.8mm；凹面镜S6表面的曲率半径为-252.6mm、S6表面到S7表面的距离为59mm、镜面半高为26.9mm；所述的第一弯月透镜S7表面曲率半径为66.1mm、S7表面到S8表面的距离为5.6mm、折射率1.8、阿贝尔数25.5、镜面半高为24.5mm；第一弯月透镜S8表面的曲率半径为263.0mm、S8表面到S9表面的距离为5.3mm、镜面半高为24.1mm；所述的第二弯月透镜S9镜面的曲率半径为310.5mm、S9表面到S10表面的距离为5.3mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为9.4mm；第二弯月透镜S10的曲率半径为20.2mm、S10表面到S11表面的距离为60.0mm、镜面半高为8.0mm；所述的平凹透镜S11表面曲率半径为-41.1mm、S11表面到S12表面的距离为8.0mm、折射率为1.8、阿贝尔数为64.2、镜面半高为8.0mm；平凹透镜S12表面到CCD成像装置成像面的距离为60.0mm、镜面半高为8.0mm。
本发明的凸透镜、平凸透镜、凹面镜、第一弯月透镜、第二弯月透镜、平凹透镜镜面上均真空交替蒸镀有8～12层二氧化硅和二氧化锆的增透膜。
本发明的原子源中的原子为87Sr原子，所述的晶格光激光器输出的波长为813nm，探测光激光器的输出波长为461nm。
本发明相比于现有技术具有以下优点：
本发明利用在真空环境下原子源喷出的原子，经预冷后得到uK量级的原子团，采用一束聚焦高斯光束与其反射光束形成的驻波，来囚禁冷原子，再利用另外一台激光器产生的激光作为探测光，使晶格中的原子团发射出荧光，然后通过透镜组后在CCD上成像，相比常规的商业镜头，自主设计镜头的轴向放大倍数较大，并且镜头的畸变很小，MTF值在频率较高处仍旧可观，使得测量更为准确，同时较大的放大倍数也方便对晶格的其他参数进行测量，比如，用于估算晶格中原子的数目的晶格轴向长度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中成像透镜组的MTF曲线图。
图3是本发明成像透镜组的畸变曲线图。
图4是本发明成像透镜组的系统参数数据。
图中：1、原子源；2、真空装置；3、零度高反镜；4、镜筒；5、CCD成像装置；6、安装板；7、探测光激光器；8、晶格光激光器；L1、凸透镜；L2、平凸透镜；L3、凹面镜；L4、第一弯月透镜；L5、第二弯月透镜；L6、平凹透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本发明光晶格成像装置,在安装板上用螺纹连接紧固件固定连接安装有原子源1、真空装置2、零度高反镜3、镜筒4、CCD成像装置5、探测激光器7、晶格光激光器8，原子源1、真空装置2、零度高反镜3、镜筒4、CCD成像装置5、探测激光器7、晶格光激光器8在同一平面内，真空装置2安装于原子源1、探测光激光器7、晶格光激光器8的光出射方向上，零度高反镜3安装于晶格光激光器8的正对面，本实施例中，原子源1中的原子为87Sr原子，原子源产生的原子经过一系列冷却后，在真空装置2的中心产生温度在uK量级的冷原子团，所述的晶格光激光器8输出一束波长为813nm的高斯光束，经过透镜汇聚后打入真空装置2的中心，然后在其对面用一面零度高反镜3反射，同样反射光也需要经过透镜汇聚以保证入射和反射光的束腰位置重合且束腰大小相等，本实施例的零度高反镜3上真空交替蒸镀有14层氟化镁和氟化钙高反膜，经过短时间的装载后，探测光激光器7的输出波长为461nm的激光作为探测光，激发原子到高能态，一般经过几纳米秒到几时纳米秒的时延后，原子会从高能态再度回到基态，同时发射出荧光，在这里，探测光激光器7实际上是作为原子团成像的光源。因此，原子团发出的荧光总会有一定比例到达镜头所在的窗口片，发射的荧光经过镜筒4中的l1～L6透镜组放大后到达CCD成像装置5。
本发明所述的镜筒4左端距真空装置2中心的距离为18cm，镜筒4和CCD成像装置5的中心线重合且垂直于晶格光的传播方向，镜筒4内安装有透镜组，所述的透镜组的近轴放大倍数为5倍，畸变小于0.05％，MTF值在1201p/mm处大于0.2，所述的透镜组自左向右依次为凸透镜L1、平凸透镜L2、凹面镜L3、第一弯月透镜L4、第二弯月透镜L5、平凹透镜L6，所述的凸透镜L1、平凸透镜L2、凹面镜L3、第一弯月透镜L4、第二弯月透镜L5、平凹透镜L6镜面上均真空交替蒸镀有8～12层二氧化硅和二氧化锆的增透膜，透镜组均采用球面镜设计，易于加工。
本实施例所述的凸透镜S1表面的曲率半径为714.6mm、S1表面到S2表面的距离为7.6mm、折射率为1.8、阿贝尔数25.5、镜面半高为35.1mm；凸透镜S2表面的曲率半径为-145.2mm、S2表面到S3表面的距离为53.8mm、镜面半高为35.4mm；所述的平凸透镜S3表面的曲率半径为172.7mm、S3表面到S4表面的距离为7.8mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为31.9mm；平凸透镜S4表面到S5表面的距离为33.3mm、镜面半高为31.4mm；所述的凹面镜S5表面的曲率半径为-87.3mm、S5表面到S6表面的距离为6.2mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为26.8mm；凹面镜S6表面的曲率半径为-252.6mm、S6表面到S7表面的距离为59mm、镜面半高为26.9mm；所述的第一弯月透镜S7表面曲率半径为66.1mm、S7表面到S8表面的距离为5.6mm、折射率1.8、阿贝尔数25.5、镜面半高为24.5mm；第一弯月透镜S8表面的曲率半径为263.0mm、S8表面到S9表面的距离为5.3mm、镜面半高为24.1mm；所述的第二弯月透镜S9镜面的曲率半径为310.5mm、S9表面到S10表面的距离为5.3mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为9.4mm；第二弯月透镜S10的曲率半径为20.2mm、S10表面到S11表面的距离为60.0mm、镜面半高为8.0mm；所述的平凹透镜S11表面曲率半径为-41.1mm、S11表面到S12表面的距离为8.0mm、折射率为1.8、阿贝尔数为64.2、镜面半高为8.0mm；平凹透镜S12表面到CCD成像装置成像面的距离为60.0mm、镜面半高为8.0mm。
采用上述装置进行实验，由图2可以知道，在成像质量方面，透镜组的MTF值在120lp/mm处仍大于0.2，具备优良的成像性能。由图3可以知道，其畸变在本视场下小于0.05％，由此带来的误差可以忽略，图4中近轴放大倍数为5倍，是普通商业化的镜头难以比拟的。

Claims (6)

1.一种光晶格成像装置,在安装板上设置有原子源、真空装置、零度高反镜、镜筒、CCD成像装置、探测激光器、晶格光激光器，真空装置设置于原子源、探测光激光器、晶格光激光器的光出射方向上，零度高反镜设置于晶格光激光器的正对面，镜筒和CCD成像装置的中心线重合且垂直于晶格光的传播方向，镜筒内设置有透镜组，所述的透镜组自左向右依次为凸透镜、平凸透镜、凹面镜、第一弯月透镜、第二弯月透镜、平凹透镜；其特征在于：所述的凸透镜S1表面的曲率半径为714.6mm、S1表面到S2表面的距离为7.6mm、折射率为1.8、阿贝尔数25.5、镜面半高为35.1mm；凸透镜S2表面的曲率半径为-145.2mm、S2表面到S3表面的距离为53.8mm、镜面半高为35.4mm；所述的平凸透镜S3表面的曲率半径为172.7mm、S3表面到S4表面的距离为7.8mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为31.9mm；平凸透镜S4表面到S5表面的距离为33.3mm、镜面半高为31.4mm；所述的凹面镜S5表面的曲率半径为-87.3mm、S5表面到S6表面的距离为6.2mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为26.8mm；凹面镜S6表面的曲率半径为-252.6mm、S6表面到S7表面的距离为59mm、镜面半高为26.9mm；所述的第一弯月透镜S7表面曲率半径为66.1mm、S7表面到S8表面的距离为5.6mm、折射率1.8、阿贝尔数25.5、镜面半高为24.5mm；第一弯月透镜S8表面的曲率半径为263.0mm、S8表面到S9表面的距离为5.3mm、镜面半高为24.1mm；所述的第二弯月透镜S9镜面的曲率半径为310.5mm、S9表面到S10表面的距离为5.3mm、折射率为1.5、阿贝尔数为64.2、镜面半高为9.4mm；第二弯月透镜S10的曲率半径为20.2mm、S10表面到S11表面的距离为60.0mm、镜面半高为8.0mm；所述的平凹透镜S11表面曲率半径为-41.1mm、S11表面到S12表面的距离为8.0mm、折射率为1.8、阿贝尔数为64.2、镜面半高为8.0mm；平凹透镜S12表面到CCD成像装置成像面的距离为60.0mm、镜面半高为8.0mm。
2.根据权利要求1所述的光晶格成像装置，其特征在于：所述的镜筒左端距真空装置中心的距离为18cm。
3.根据权利要求1所述的光晶格成像装置，其特征在于：所述的透镜组的近轴放大倍数为5倍，畸变小于0.05%，MTF值在1201p/mm处大于0.2。
4.根据权利要求1所述的光晶格成像装置，其特征在于：所述的零度高反镜上真空交替蒸镀有14层氟化镁和氟化钙高反膜。
5.根据权利要求1所述的光晶格成像装置，其特征在于：所述的凸透镜、平凸透镜、凹面镜、第一弯月透镜、第二弯月透镜、平凹透镜镜面上均真空交替蒸镀有8～12层二氧化硅和二氧化锆的增透膜。
6.根据权利要求1所述的光晶格成像装置，其特征在于：所述的原子源中的原子为87Sr原子，所述的晶格光激光器输出的波长为813nm，探测光激光器的输出波长为461nm。
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