CN109061889A - 一种光学冷原子陷俘装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于原子光学技术，涉及一种光学冷原子陷俘装置。本发明光学冷原子陷俘装置包括光源(1)、探测器(2)、基座(3)和设置在基座(3)上的冷却光路元件(4)、真空腔(5)和线圈(6)。其中，所述光源(1)包含两台激光器，设置在基座(3)侧面；所述探测器(2)包含两台光电探测器，设置在基座(3)侧面；所述基座(3)为微晶玻璃材质的高精度光学平台；所述冷却光路元件(4)为微晶玻璃材质或石英玻璃材质制成，并与同为微晶玻璃材质的真空腔(5)低温键合在基座(3)上；所述线圈(6)为反亥姆霍兹线圈，对称设置在真空腔(5)两侧。本发明提供一种主体完全由零膨胀玻璃组成的光学冷原子陷俘装置，大幅度提高磁光阱的稳定性和环境适应性，满足冷原子惯性器件的工程使用需求。

Description

一种光学冷原子陷俘装置

技术领域

本发明属于原子光学技术，涉及一种光学冷原子陷俘装置。

背景技术

磁光囚禁技术是冷原子技术发展过程中的里程碑技术，基于磁光囚禁技术的磁光阱是一种建立在多普勒冷却机制和偏振梯度冷却机制上对原子进行激光冷却与陷俘的装置，同时可以实现原子团的压缩、移动和定向发射。磁光阱是冷原子惯性器件的核心器件之一，磁光阱的捕获率决定了参与工作的原子数量，并直接影响冷原子惯性器件的信噪比，磁光阱的装载速度直接影响系统带宽。

组成磁光阱光路的精密光学元件极易受到外部环境变化如温度变化、环境气流变化的影响，从而导致光束质量下降和光束指向偏移并最终影响冷却原子团的性能。特别是目前磁光阱光路光学元件多采用机械支架和机械固定，环境温度变化导致的指向漂移很严重。即使使用光纤光束器件在一定程度上避免了指向漂移的问题，但光纤插入损耗、热效应等导致的光束质量下降和光强损失问题仍然难以解决，而且实现上述功能的光纤器件结构复杂，难以进行小型化。而且，无论上述那种方案都难以克服环境振动问题。这也是困扰冷原子惯性器件工程化应用的主要瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种主体完全由零膨胀玻璃组成的光学冷原子陷俘装置，大幅度提高磁光阱的稳定性和环境适应性，满足冷原子惯性器件的工程使用需求。

本发明的技术方案：一种光学冷原子陷俘装置，包括光源1、探测器2、基座3和设置在基座3上的冷却光路元件4、真空腔5和线圈6，所述光源1包含两台激光器，设置在基座3侧面；所述探测器2包含两台光电探测器，设置在基座3侧面；所述基座3为微晶玻璃材质的高精度光学平台；所述冷却光路元件4为微晶玻璃材质或石英玻璃材质制成，并与同为微晶玻璃材质的真空腔5低温键合在基座3上；所述线圈6为反亥姆霍兹线圈，对称设置在真空腔5两侧。

所述冷却光路元件4包含第一反射镜7、第二反射镜8、第一透镜9、第二透镜10、第一分束器11、第二分束器12、第三分束器13、偏振分束器14、光束提升器15、1/4波片16、第一逆反射器17、第二逆反射器18和气室19。其中，所述第一反射镜7、第二反射镜8、第一透镜9、第二透镜10、第一分束器11、第二分束器12、第三分束器13、光束提升器15、第一逆反射器17和第二逆反射器18为微晶玻璃材质，所述1/4波片16、偏振分束器14为石英玻璃材质。

所述第二反射镜8为三棱锥结构，通光面与固定面成60°角。

所述第一透镜9和第二透镜10焦点重合，组成光束放大器，放大倍率2～10倍。

所述第一分束器11将1％～10％的光束分出用于激光器稳频。

所述第二分束器12分束比1:2；所述第三分束器13分束比1:1；第二分束器12与第三分束器13一起将光束三等分。

所述光束提升器15由支架24与设置在其上的2个第一反射镜7组成，用于将入射光束提升并转向。

所述第一逆反射器17由支架24与设置在其上的第一反射镜7和1/4波片16组成，用于将入射光束沿原路逆反射并改变其偏振方向。

所述第二逆反射器18由支架24与设置在其上的1/4波片16组成，支架24的迎光面镀有高反膜构成反射面，用于将光束沿原路逆反射并改变其偏振方向。

所述支架24与第一反射镜7之间，第一反射镜7和1/4波片16之间的连接方式皆采用低温键合，所述支架24与1/4波片16之间的连接方式采用低温键合。

本发明的优点和有益效果是：提供一种光学冷原子陷俘装置，系统主体和全部光路元件完全由零膨胀玻璃组成，并通过低温键合技术键合形成单一组件，能大幅度提高磁光阱的稳定性和抗振特性；同时系统更加紧凑，光路高度稳定，便于进行真空封装，提高了磁光阱光路对温度变化和环境气流变化的抵抗能力。本发明可以满足冷原子惯性器件的工程使用需求。

附图说明

图1是本发明光学冷原子陷俘装置的顶视图；

图2是本发明光学冷原子陷俘装置冷却光路的顶视图；

图3是本发明光学冷原子陷俘装置冷却光路的剖视图；

图4是本发明光学冷原子陷俘装置真空腔的示意图；

图5是本发明光学冷原子陷俘装置光束提升器的示意图；

图6是本发明光学冷原子陷俘装置第一逆反射器的示意图；

图7是本发明光学冷原子陷俘装置第二逆反射器的示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

请同时参阅图1，其中，图1为本发明光学冷原子陷俘装置的顶视图。一种光学冷原子陷俘装置，包括光源1、探测器2、基座3和设置在基座3上的冷却光路元件4、真空腔5和线圈6。

所述光源1包含两台激光器，设置在基座3侧面，一台作为主激光器用于激发原子跃迁实现激光冷却，一台作为辅激光器用于将处于基态上的暗态原子反抽运回循环跃迁过程中。光源输出为高质量线偏光，偏振方向与光路中的1/4波片16相匹配，光源频率与原子跃迁频率相吻合。

所述探测器2包含两台光电探测器，设置在基座3侧面，用于两台激光器的饱和吸收法稳频。

所述基座3为微晶玻璃材质的高精度光学平台，确保其在环境温度变化下的稳定性，为冷却光路提供装配基准。

请同时参阅图2、图3，其中，图2是本发明光学冷原子陷俘装置冷却光路的顶视图，图3是本发明光学冷原子陷俘装置冷却光路的剖视图。所述冷却光路元件4组成的冷却光路由三个子光路组成：扩束光路、稳频光路和三维冷却光路。其中扩束光路包含第一透镜9和第二透镜10，共有两个扩束光路，用于对来自光源1两个激光器的光束进行扩束。第一透镜9和第二透镜10焦点重合，组合放大倍率一般在2～10倍之间。稳频光路也有两个，包含第一分束器11、偏振分束器14、气室19、1/4波片16和第一反射镜7各1个，用于对光源1的两台激光器进行饱和吸收稳频。所述第一分束器11将1％～10％的光束从主光束分出，气室19内充有碱金属蒸气用于激发饱和吸收谱，第一反射镜7用于将光束逆反射。光束偏振与偏振分束器匹配，光束双程经过偏振分束器1/4波片16后改变偏振方向，通过偏振分束器14反射进入探测器2。

除上述光学元件外，其余光学元件组成三维冷却光路。光源1输出的两路光经由偏振分束器14合束，通过第二分束器12和第三分束器13平均分为三份之后三路光经过1/4波片16转换为原偏振光从三个正交方向进入真空腔4。其中所述第二分束器12分束比1:2，第三分束器13分束比1:1。其中两束光经由第二反射镜8反射从真空腔4左右以45°斜入射(结构紧凑，并留出空间用于探测、干涉或其他操作)，经过真空腔4后被第一逆反射器17逆反射组成两路冷却光束对。所述第二反射镜8为三棱锥结构，通光面与固定面成60°角，因此结构紧凑，便于光路调整。另一束光经由光束提升器15从真空腔4中心入射，经过真空腔4后被第二逆反射器18逆反射组成第三路冷却光束对。

请同时参阅图5～7，其中，图5是本发明光学冷原子陷俘装置光束提升器的示意图，图6是本发明光学冷原子陷俘装置第一逆反射器的示意图，图7是本发明光学冷原子陷俘装置第二逆反射器的示意图。所述光束提升器15由支架24与设置在其上的2个第一反射镜7组成，用于将入射光束提升并转向。所述第一逆反射器17由支架24与设置在其上的第一反射镜7和1/4波片16组成，用于将入射光束沿原路逆反射并改变其偏振方向。所述第二逆反射器18由支架24与设置在其上的1/4波片16组成，支架24的迎光面镀有高反膜构成反射面，用于将光束沿原路逆反射并改变其偏振方向。

所述第一反射镜7、第二反射镜8、第一透镜9、第二透镜10、第一分束器11、第二分束器12、第三分束器13、光束提升器15、第一逆反射器17和第二逆反射器18皆为微晶玻璃，1/4波片16、偏振分束器14为石英玻璃材质。采用微晶玻璃或石英玻璃材质是为了确保光学元件的温度稳定性，以避免光束指向漂移。

请同时参阅图4，其中，图4是本发明光学冷原子陷俘装置真空腔的示意图。所述真空腔4为微晶玻璃材质，避免了金属真空腔存在的感生电流、感生磁场、气体渗透等缺陷，且通光面积更大，体积更小。真空腔4由腔体20和设置在腔体上的光学窗口21、碱金属源22和真空泵23组成。

所述线圈6为反亥姆霍兹线圈，对称设置在真空腔5两侧，用于为原子三维陷俘提供梯度场。

所述冷却光学元件4与基座3之间，腔体20与光学窗口21之间，支架24与第一反射镜7之间，支架24与第一反射镜7之间，第一反射镜7和1/4波片16之间，支架24与1/4波片16之间的连接方式皆采用低温键合。低温键合可以实现高强度与高精确度的统一，并且通过改变工艺参数延长固定时间可以实现每个光学元件长达45分钟的可调整时间；固化后，光学元件与基体形成一个整体，并封装，从而提供了良好的稳定性和极佳的环境适应性，有效避免了外部环境变化如温度变化、环境气流变化、外部振动等导致的光束质量下降和光束指向偏移。

实施案例

本实施方式中，光学冷原子陷俘装置长宽高为350mm×350mm×180mm。光源选用两台外腔式半导体激光器，输出光为780nm的线偏振光，两束输出光的偏振面相互垂直，光功率100mW，两台激光器通过饱和吸收法锁定在相应的跃迁频率上。探测器选用放大光电探测器，带宽1.5MHz。基体为350mm×350mm×80mm微晶玻璃块，表面经过精密研磨，工作面平面度优于1μm，粗糙度Ra优于1nm。第一反射镜、第二反射镜表面镀高反膜，反射损耗优于30ppm；第一透镜、第二透镜、第一分束器、第二分束器、第三分束器、1/4波片、偏振分束器表面镀增透膜，透过率优于99.9％。所有光学元件的键合面光学抛光，面形优于λ/10。真空腔主体尺寸为106mm×44mm×44mm，所有光学窗口双面镀增透膜。真空泵选用10L离子泵，腔内真空度优于10^-7Pa。碱金属源选用碱金属分布器，工作原子使用Rb原子。使用低温键合技术对所有光学元件进行装配，通过控制工艺参数可以延长固定时间实现光学元件的精密调整。

实施效果

本实施方式中，所述光学冷原子陷俘装置光路系统光损耗优于5％，原子冷却温度低于30μK，陷俘原子通量不小于10⁷/s。系统主体和全部光路元件完全由零膨胀玻璃组成，并通过低温键合技术形成单一组件，能大幅度提高磁光阱的稳定性和抗振特性；同时系统更加紧凑，光路高度稳定，便于进行真空封装，提高了磁光阱光路对温度变化、环境气流变化的抵抗能力。本发明可以满足冷原子惯性器件的工程使用需求。

Claims (10)

1.一种光学冷原子陷俘装置，包括光源(1)、探测器(2)、基座(3)和设置在基座(3)上的冷却光路元件(4)、真空腔(5)和线圈(6)，其特征在于：所述光源(1)包含两台激光器，设置在基座(3)侧面；所述探测器(2)包含两台光电探测器，设置在基座(3)侧面；所述基座(3)为微晶玻璃材质的高精度光学平台；所述冷却光路元件(4)为微晶玻璃材质或石英玻璃材质制成，并与同为微晶玻璃材质的真空腔(5)低温键合在基座(3)上；所述线圈(6)为反亥姆霍兹线圈，对称设置在真空腔(5)两侧。

2.根据权利要求1所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述冷却光路元件(4)包含第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、第一透镜(9)、第二透镜(10)、第一分束器(11)、第二分束器(12)、第三分束器(13)、偏振分束器(14)、光束提升器(15)、1/4波片(16)、第一逆反射器(17)、第二逆反射器(18)和气室(19)。其中，所述第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、第一透镜(9)、第二透镜(10)、第一分束器(11)、第二分束器(12)、第三分束器(13)、光束提升器(15)、第一逆反射器(17)和第二逆反射器(18)为微晶玻璃材质，所述1/4波片(16)、偏振分束器(14)为石英玻璃材质。

3.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述第二反射镜(8)为三棱锥结构，通光面与固定面成60°角。

4.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述第一透镜(9)和第二透镜(10)焦点重合，组成光束放大器，放大倍率2～10倍。

5.根据权利要求2所述的冷却光路元件，其特征在于：所述第一分束器(11)将1％～10％的光束分出用于激光器稳频。

6.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述第二分束器(12)分束比1:2；所述第三分束器(13)分束比1:1；第二分束器(12)与第三分束器(13)一起将光束三等分。

7.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述光束提升器(15)由支架(24)与设置在其上的2个第一反射镜(7)组成，用于将入射光束提升并转向。

8.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述第一逆反射器(17)由支架(24)与设置在其上的第一反射镜(7)和1/4波片(16)组成，用于将入射光束沿原路逆反射并改变其偏振方向。

9.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述第二逆反射器(18)由支架(24)与设置在其上的1/4波片(16)组成，支架(24)的迎光面镀有高反膜构成反射面，用于将光束沿原路逆反射并改变其偏振方向。

10.根据权利要求2所述的光学冷原子陷俘装置，其特征在于：所述支架(24)与第一反射镜(7)之间，第一反射镜(7)和1/4波片(16)之间的连接方式皆采用低温键合，所述支架(24)与1/4波片(16)之间的连接方式采用低温键合。