CN109884872B - 二维磁光阱的光机装置 - Google Patents
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Abstract
新型二维磁光阱光机装置，安装平台上中部设置有二维磁光阱腔，位于二维磁光阱腔的右前侧设有一体化准直镜A，一体化准直镜A8出射的光斑穿过二维磁光阱腔的前后两侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔后侧的第一45度高反镜组A，位于二维磁光阱腔前侧45度高反镜组A反射光出射方向依次设有四分之一波片A和零度高反镜A；位于二维磁光阱腔的右下方设有一体化准直镜B，一体化准直镜B出射的光斑穿过二维磁光阱腔的上下侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔上方设的第一45度高反镜组B，位于二维磁光阱腔下方第一45度高反镜组B反射光出射方向依次设有四分之一波片B和零度高反镜B。
Description
技术领域
本发明属于原子钟技术领域，具体涉及到一种二维磁光阱的光机装置。
背景技术
目前原子钟冷原子团样品一般都采用二维磁光阱进行预冷却，也就是先产生慢速原子束，再用三维磁光阱技术进行冷却囚禁，产生用于原子喷泉钟工作使用的冷原子样品。由于目前的原子喷泉钟是脉冲式工作的，原子跃迁信号是断续采集的，在脉冲时间间隙，原子钟的参考信号源频率不受控制，参考源的噪声会反映在频标输出上，从而影响原子喷泉钟的稳定度性能，所以冷原子样品制备的时间，也就是装载时间越短，越有利于稳定度性能的提高，而二维磁光阱对原子样品进行预冷却，产生慢速原子束，从而可以提高三维磁光阱冷却囚禁原子样品时间，也就是装载时间能缩短。
目前的二维磁光阱的光机结构一般是采用一体化准直镜，二维磁光阱腔体（含梯度磁场分布）、偏振分光棱镜、四分之一波片组成，如图1。冷却激光通过光纤进入到一体化准直镜筒中，然后通过镜筒中的二分之一波片与偏振分光棱镜将光束功率均分。两束光分别通过相应的四分之一波片，形成圆偏振光，然后再通过二维磁光阱腔体（含梯度磁场分布），再经过四分之一波片，再经过零度高反镜将入射光返回，从而形成与原子蒸气相互作用的激光驻波场，将原子蒸气通过时，激光与原子蒸气相互作用，在垂直的两个方向对原子蒸气进行减速冷却，从而形成慢速原子束，经过二维磁光阱腔体出口进入到三维磁光阱。
目前的二维磁光阱装置，包含有偏振分光棱镜，四分之一波片等容易受到温度影响的偏振器件，尤其是四分之一波片数量比较多，整个结构也略显复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服了现有二维磁光阱光机装置的缺点，提供一种设计合理、结构简单、工作效率高的二维磁光阱的光机装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：安装平台上中部设置有二维磁光阱腔，位于二维磁光阱腔的右前侧安装平台上设置有一体化准直镜A，一体化准直镜A出射的光斑穿过二维磁光阱腔的前后两侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔后侧安装平台上设置的第一45度高反镜组A，第一45度高反镜组A由两个夹角为90°的45度高反镜组成，位于二维磁光阱腔前侧第一45度高反镜组A反射光出射方向安装平台上依次设置有四分之一波片A和零度高反镜A；
位于二维磁光阱腔的右下方安装平台上设置有一体化准直镜B，一体化准直镜B出射的光斑穿过二维磁光阱腔的上下侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔上方安装平台上设置的第一45度高反镜组B，位于二维磁光阱腔下方第一45度高反镜组B反射光出射方向安装平台上依次设置有四分之一波片B和零度高反镜B；所述的一体化准直镜B、第一45度高反镜组B、四分之一波片B、零度高反镜B与一体化准直镜A、第一45度高反镜组A、四分之一波片A、零度高反镜A对应相等。
所述的一体化准直镜A的结构为镜筒一端端盖上设置有光纤接头，镜筒内沿着光的传输方向依次设置第一宽带偏振分光棱镜、二分之一波片、第二宽带偏振分光棱镜、双胶合透镜、四分之一波片。
作为一种优选的技术方案，所述的位于二维磁光阱腔前侧第一45度高反镜组A反射光出射方向安装平台上设置有第二45度高反镜组A，第二45度高反镜组A反射光出射方向安装平台上依次设置有四分之一波片A和零度高反镜A，四分之一波片A和零度高反镜A位于二维磁光阱腔后侧，所述的第一45度高反镜组A与第二45度高反镜组A结构相同。
作为一种优选的技术方案，所述的位于二维磁光阱腔下方第一45度高反镜组B反射光出射方向安装平台上设置有第二45度高反镜组B，第二45度高反镜组B反射光出射方向安装平台上依次设置有四分之一波片B和零度高反镜B，四分之一波片B和零度高反镜B位于二维磁光阱腔上方，所述的第一45度高反镜组B与第二45度高反镜组B结构相同。
作为一种优选的技术方案，所述的第一宽带偏振分光棱镜与光纤接头之间的距离为20mm，第一宽带偏振分光棱镜与二分之一波片之间的距离为2mm，所述的二分之一波片与第二宽带偏振分光棱镜之间的距离为7mm，所述的第二宽带偏振分光棱镜与双胶合透镜之间的距离为100～120mm，所述的双胶合透镜与四分之一波片之间的距离为5mm。
作为一种优选的技术方案，所述的双胶合透镜入射面和胶合面均为向光入射方向凸起的凸面、出射面为向光出射方向凸起的凸面，入射面的曲率半径为124～150mm，胶合面的曲率半径为31～40mm，光出射面的曲率半径为-35～-60mm，双胶合透镜的入射面和出射面上均镀有减反膜。
作为一种优选的技术方案，所述的二维磁光阱腔入射窗口宽度是一体化准直镜A出射光斑直径的1.1～1.2倍、长度是一体化准直镜出射光斑直径的N≥2倍，N为正整数。
作为一种优选的技术方案，所述的零度高反镜A直径是一体化准直镜A出射光斑直径的1.1～1.3倍。
作为一种优选的技术方案，所述的45度高反镜直径是一体化准直镜A出射光斑直径的1.4～1.5倍。
本发明的有益效果如下：
1、一种区别于现有结构的新型二维磁光阱光机结构，与现有技术相比不使用偏振分光棱镜及减少了四分之一波片的使用，避免了外界温度变化对整个装置的影响，提高了整个装置的稳定性。
2、本发明与现有技术相比器件的数量减少，但是能达到与现有技术相同的功能即产生慢速原子束，具有结构简单、紧凑，占地面积小的优点。
3、本发明的一体化准直镜A和一体化准直镜B与现有二维磁光阱所使用的一体化准直镜结构不同，沿着光的出射方向本发明一体化准直镜A和一体化准直镜B的镜筒内最后一个器件是四分之一波片，而现有一体化准直镜镜筒内最后一个器件是二分之一波片。
4、本发明通过增设45度高反镜组，增大了冷却光驻波场，延长了原子与冷却光驻波场接触路径，使形成的慢速原子束的速度更慢，提高了工作效率。
附图说明
图1是现有技术其中一维方向的光路原理图。
图2是是本发明实施1的结构原理示意图。
图3是本发明实施例2的结构原理示意图。
图4是本发明一体化准直镜A8的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图2中，本实施例的一种二维磁光阱的光机装置由二维磁光阱腔1、第一45度高反镜组B2、第一45度高反镜组A3、一体化准直镜B4、安装平台5、零度高反镜B6、四分之一波片B7、一体化准直镜A8、零度高反镜A9、四分之一波片A10连接构成。
安装平台5中部安装有二维磁光阱腔1，二维磁光阱腔1含有梯度磁场分布为市场上销售的产品，二维磁光阱腔1一端设置有原子蒸汽入口、另一端设置有慢速原子束出口，位于二维磁光阱腔1的右前侧安装平台5上安装有一体化准直镜A8，一体化准直镜A8出射的光斑穿过二维磁光阱腔1的前后两侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔1后侧安装平台5上安装的第一45度高反镜组A3，二维磁光阱腔1入射窗口宽度是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.15倍、长度是一体化准直镜A8出射光斑直径的2倍，第一45度高反镜组A3由两个夹角为90度的45度高反镜组成，45度高反镜直径是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.45倍，位于二维磁光阱腔1前侧第一45度高反镜组A3反射光出射方向安装平台5上依次安装有四分之一波片A10和零度高反镜A9，零度高反镜A9直径是一体化准直镜A8出射光斑直径1.2倍；位于二维磁光阱腔1的右下方安装平台5上安装有一体化准直镜B4，一体化准直镜B4出射的光斑穿过二维磁光阱腔1的上下侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔1上方安装平台5上安装的第一45度高反镜组B2，位于二维磁光阱腔1下方第一45度高反镜组B2反射光出射方向安装平台5上依次安装有四分之一波片B7和零度高反镜B6，一体化准直镜B4、第一45度高反镜组B2、四分之一波片B7、零度高反镜B6与一体化准直镜A8、第一45度高反镜组A3、四分之一波片A10、零度高反镜A9对应相等。
在图4中，本实施例的一体化准直镜A4由镜筒4-2、光纤接头4-1、第一宽带偏振分光棱镜4-3、二分之一波片4-4、第二宽带偏振分光棱镜4-5、双胶合透镜4-6、四分之一波片4-7连接构成。
镜筒4-2一端端盖上设置有光纤接头4-1，光纤接头4-1上连接有光纤，镜筒4-2内沿着光的传输方向依次安装第一宽带偏振分光棱镜4-3、二分之一波片4-4、第二宽带偏振分光棱镜4-5、双胶合透镜4-6、四分之一波片4-7，第一宽带偏振分光棱镜4-3与光纤接头4-1之间的距离为20mm，第一宽带偏振分光棱镜4-3与二分之一波片4-4之间的距离为2mm，二分之一波片4-4与第二宽带偏振分光棱镜4-5之间的距离为7mm，第二宽带偏振分光棱镜4-5与双胶合透镜4-6之间的距离为110mm，双胶合透镜4-6与四分之一波片4-7之间的距离为5mm，双胶合透镜4-6入射面和胶合面均为向光入射方向凸起的凸面、出射面为向光出射方向凸起的凸面，入射面的曲率半径为140mm，胶合面的曲率半径为35mm，光出射面的曲率半径为-50mm，双胶合透镜4-6的入射面和出射面上均镀有减反膜，激光通过光纤进入一体化准直镜A镜筒4-2依次通过中第一宽带偏振分光棱镜4-3、二分之一波片4-4、第二宽带偏振分光棱镜4-5、双胶合透镜4-6产生二维磁光阱所需的准直扩束激光，该扩束激光通过镜筒4-2内的四分之一波片4-7产生圆偏振光。
由一体化准直镜A4输出的圆偏振光经过二维磁光阱腔1，然后经过第一45度高反镜组A3的反射再次经过二维磁光阱腔1体，再经过四分之一波片A10，最后经过0度高反镜A的反射，沿原路径相反方向返回，构成与原子蒸汽相互作用形成一维方向的冷却光驻波场，由一体化准直镜B输出的圆偏振光经过二维磁光阱腔1，然后经过第一45度高反镜组B2的反射再次经过二维磁光阱腔1体，再经过四分之一波片B7，最后经过0度高反镜B的反射，沿原路径相反方向返回，构成与原子蒸汽相互作用形成垂直维度方向的冷却光驻波场，当原子从二维磁光阱腔1体原子蒸汽入口进入时，与两个方向形成的冷却光驻波场相互作用，在二维方向进行预冷却减速，形成的慢速原子束最后通过慢速原子束出口进入三维磁光阱中。
实施例2
在图3中，本实施例的二维磁光阱的光机装置由安装平台5、二维磁光阱腔1、一体化准直镜A8、第一45度高反镜组A3、第二45度高反镜组A12、四分之一波片A10、零度高反镜A9、一体化准直镜B4、第一45度高反镜组B2、第二45度高反镜组B11、四分之一波片B7、零度高反镜B6连接构成。
安装平台5中部安装有二维磁光阱腔1，二维磁光阱腔1含有梯度磁场分布为市场上销售的产品，二维磁光阱腔1一端设置有原子蒸汽入口、另一端设置有慢速原子束出口，位于二维磁光阱腔1的右前侧安装平台5上安装有一体化准直镜A8，一体化准直镜A8出射的光斑穿过二维磁光阱腔1的前后两侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔1后侧安装平台5上安装的第一45度高反镜组A3，二维磁光阱腔1入射窗口宽度是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.15倍、长度是一体化准直镜A8出射光斑直径的2倍，第一45度高反镜组A3由两个夹角为90度的45度高反镜组成，45度高反镜直径是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.45倍，位于二维磁光阱腔1前侧第一45度高反镜组A3反射光出射方向安装平台5上安装有第二45度高反镜组A12，第二45度高反镜组A12反射光出射方向安装平台5上依次安装有四分之一波片A10和零度高反镜A9，四分之一波片A10和零度高反镜A9位于二维磁光阱腔1后侧，零度高反镜A9直径是一体化准直镜A8出射光斑直径1.2倍；位于二维磁光阱腔1的右下方安装平台5上安装有一体化准直镜B4，一体化准直镜B4出射的光斑穿过二维磁光阱腔1的上下侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔1上方安装平台5上安装的第一45度高反镜组B2，位于二维磁光阱腔1下方第一45度高反镜组B2反射光出射方向安装平台5上安装有第二45度高反镜组B11，第二45度高反镜组B11反射光出射方向安装平台5上依次安装有四分之一波片B7和零度高反镜B6，四分之一波片B7和零度高反镜B6位于二维磁光阱腔1上方，第二45度高反镜组A12和第一45度高反镜组B2及第二45度高反镜组B11与第一45度高反镜组A3相等。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在实施例1和2中，一体化准直镜A4的双胶合透镜4-6入射面和胶合面均为向光入射方向凸起的凸面、出射面为向光出射方向凸起的凸面，入射面的曲率半径为124mm，胶合面的曲率半径为31mm，光出射面的曲率半径为-35mm，双胶合透镜4-6的入射面和出射面上均镀有减反膜；二维磁光阱腔1入射窗口宽度是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.1倍、长度是一体化准直镜出射光斑直径的3倍，零度高反镜A9直径是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.1倍，45度高反镜直径是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.4倍。其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同。
实施例4
在实施例1和2中，一体化准直镜A4的双胶合透镜4-6入射面和胶合面均为向光入射方向凸起的凸面、出射面为向光出射方向凸起的凸面，入射面的曲率半径为150mm，胶合面的曲率半径为40mm，光出射面的曲率半径为-60mm，双胶合透镜4-6的入射面和出射面上均镀有减反膜；二维磁光阱腔1入射窗口宽度是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.2倍、长度是一体化准直镜出射光斑直径的5倍，零度高反镜A9直径是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.3倍，45度高反镜直径是一体化准直镜A8出射光斑直径的1.5倍。其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同。
Claims (6)
1.一种二维磁光阱的光机装置，其特征在于：安装平台（5）上设置有二维磁光阱腔（1）、第一45度高反镜组B（2）、第一45度高反镜组A（3）、一体化准直镜B（4）、零度高反镜B（6）、四分之一波片B（7）、一体化准直镜A（8）、零度高反镜A（9）、四分之一波片A（10）、第二45度高反镜组B（11）、第二45度高反镜组A（12）；
位于二维磁光阱腔（1）的右前侧安装平台（5）上设置有一体化准直镜A（8），一体化准直镜A（8）出射的光斑穿过二维磁光阱腔（1）的前后两侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔（1）后侧的第一45度高反镜组A（3），第一45度高反镜组A（3）由两个夹角为90°的45度高反镜组成，位于二维磁光阱腔（1）前侧第一45度高反镜组A（3）反射光出射方向安装平台（5）上设置有第二45度高反镜组A（12），第二45度高反镜组A（12）反射光出射方向安装平台（5）上依次设置有四分之一波片A（10）和零度高反镜A（9），四分之一波片A（10）和零度高反镜A（9）位于二维磁光阱腔（1）后侧；
位于二维磁光阱腔（1）的右下方安装平台（5）上设置有一体化准直镜B（4），一体化准直镜B（4）出射的光斑穿过二维磁光阱腔（1）的上下侧矩形窗口照射在位于二维磁光阱腔（1）上方安装平台（5）上设置的第一45度高反镜组B（2）， 位于二维磁光阱腔（1）下方第一45度高反镜组B（2）反射光出射方向安装平台（5）上设置有第二45度高反镜组B（11），第二45度高反镜组B（11）反射光出射方向安装平台（5）上依次设置有四分之一波片B（7）和零度高反镜B（6），四分之一波片B（7）和零度高反镜B（6）位于二维磁光阱腔（1）上方；
所述一体化准直镜B（4）与一体化准直镜A（8）结构相同，所述第一45度高反镜组B（2）、第一45度高反镜组A（3）、第二45度高反镜组B（11）、第二45度高反镜组A（12）结构相同，所述四分之一波片B（7）与四分之一波片A（10）结构相同，所述零度高反镜B（6）与零度高反镜A（9）结构相同；
所述一体化准直镜B（4）的结构为镜筒（4-2）一端端盖上设置有光纤接头（4-1），镜筒（4-2）内沿着光的传输方向依次设置第一宽带偏振分光棱镜（4-3）、二分之一波片（4-4）、第二宽带偏振分光棱镜（4-5）、双胶合透镜（4-6）、四分之一波片（4-7）。
2.根据权利要求1所述二维磁光阱的光机装置，其特征在于：所述第一宽带偏振分光棱镜（4-3）与光纤接头（4-1）之间的距离为20mm，第一宽带偏振分光棱镜（4-3）与二分之一波片（4-4）之间的距离为2mm，所述的二分之一波片（4-4）与第二宽带偏振分光棱镜（4-5）之间的距离为7mm，所述的第二宽带偏振分光棱镜（4-5）与双胶合透镜（4-6）之间的距离为100～120mm，所述的双胶合透镜（4-6）与四分之一波片（4-7）之间的距离为5mm。
3.根据权利要求1所述二维磁光阱的光机装置，其特征在于：所述的双胶合透镜（4-6）入射面和胶合面均为向光入射方向凸起的凸面、出射面为向光出射方向凸起的凸面，入射面的曲率半径为124～150mm，胶合面的曲率半径为31～40mm，出射面的曲率半径为-35～-60mm，双胶合透镜（4-6）的入射面和出射面上均镀有减反膜。
4.根据权利要求1所述二维磁光阱的光机装置，其特征在于：所述二维磁光阱腔（1）入射窗口宽度是一体化准直镜A（8）出射光斑直径的1.1～1.2倍、长度是一体化准直镜A（8）出射光斑直径的N≥2倍，N为正整数。
5.根据权利要求1所述二维磁光阱的光机装置，其特征在于：所述零度高反镜A（9）直径是一体化准直镜A（8）出射光斑直径的1.1～1.3倍。
6.根据权利要求1所述二维磁光阱的光机装置，其特征在于：所述第一45度高反镜组B（2）直径是一体化准直镜A（8）出射光斑直径的1.4～1.5倍。
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