CN110006827B - 基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置 - Google Patents

基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110006827B
CN110006827B CN201910230702.1A CN201910230702A CN110006827B CN 110006827 B CN110006827 B CN 110006827B CN 201910230702 A CN201910230702 A CN 201910230702A CN 110006827 B CN110006827 B CN 110006827B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
light
optical power
uniform external
output
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.)
Active
Application number
CN201910230702.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110006827A (zh
Inventor
巩冬梅
周蜀渝
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 CN201910230702.1A priority Critical patent/CN110006827B/zh
Publication of CN110006827A publication Critical patent/CN110006827A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110006827B publication Critical patent/CN110006827B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • G01N2021/1727—Magnetomodulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，涉及采用光学偶极势场抵消非均匀外势场，用于pK量级温度的冷原子样品的制备。该装置包括两台激光器输出的两束激光，分别经光纤耦合器进入保偏光纤，再经保偏光纤匹配管输出后被光束取样板分成透射光和反射光，反射光经光电探测器转换成电信号进入光功率反馈控制模块，再反馈给激光器；沿透射光输出方向上依次是耦合透镜、液晶空间光调制器、傅里叶变换透镜、非均匀外势场、成像透镜、CCD相机，两束激光在非均匀外势场中心位置处正交。同时提供一种用两个二维光场合成一个所需的三维光场的方法，该方法解决了直接用三维计算全息获得所需光场分布的弊端，且简单易行。

Description

基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置
技术领域
本发明涉及采用光学偶极势场抵消非均匀外势，用于pK量级温度的冷原子样品的制备，特别是对于费米子以及玻色子处于磁场敏感态的情形。
背景技术
过去数十年的原子物理学研究一直追求获得更低温度的原子样品。极低温度的原子样品可以有效的消除原子热运动带来的谱线展宽，增加物质波的相干长度，减小热运动导致的势垒遂穿，对于基于原子的精密测量技术以及超低温量子相变等物理研究至关重要。目前，采用绝热膨胀及脉冲冲击冷却等方法，可以将蒸发冷却获得的温度在nK量级的原子样品进一步冷却到pK量级。采用绝热膨胀可以获得温度约450pK的冷原子样品[A.E.Leanhardt,T.A.Pasquini,M.Saba,A.Schirotzek,Y.Shin,D.Kielpinski,D.E.Pritchard,and W.Ketterle,Science301,1513(2003)]；采用脉冲冲击冷却，可以将冷原子样品冷却到50pK左右[Tim Kovachy,Jason M.Hogan,Alex Sugarbaker,SusannahM.Dickerson,Christine A.Donnelly,Chris Overstreet,and Mark A.Kasevich，Physical Review Letters114,143004(2015)]。温度低于nK量级的超冷原子对于任何残余的非均匀外势场都非常敏感[T.van Zoest,et.al.,Science 328,1540(2010)]。非均匀势场中原子受力，这使亚nK温度的超冷原子团变形、加热以及从实验区域中逃逸，从而导致实验失败。最常见而且对原子影响最严重的残余非均匀外场是磁场。为了消除残余的非均匀磁场对超冷原子的影响，一种方法是将原子制备到磁不敏态上。但这种方法有严重缺陷：它不能用于费米子，因为费米子不存在磁不敏态；即使对于玻色子，有的实验中由于物理上的要求而不能处于磁不敏态。用高磁导率材料，例如坡莫合金，可以有效的屏蔽静磁场。然而，磁屏蔽罩只能屏蔽由于外部磁场导致的作用区域内的残余磁场，并不能解决在屏蔽罩之内需要有磁场存在时的磁场均匀性问题。然而在进行超冷原子物理实验时，往往需要有均匀磁场存在以保持原子的极化。尤其是在涉及Feshbach共振的实验中，经常需要高达数百高斯的磁场。很明显，对于这种情况下对于磁场非均匀性导致的非均匀外场，磁屏蔽完全不起作用。
因此，需要采用其他外场补偿非均匀残余磁场导致的外势。常见的方式有附加线圈补偿，包括用宏观尺度的线圈或者在原子芯片上刻蚀导线形成的线圈[Rui Yao,Zhen-Dong Sun,Shu-Yu Zhou,Ying Wang,and Yu-Zhu Wang,Chinese Physics B27,010702(2018)]。然而这种方式只能用于特定的非均匀磁场，而且对于系统的光学通道往往造成阻挡。
最容易实现的其它外场补偿是采用相对于原子共振跃迁大失谐的激光场产生的光学偶极势场。理论上，可以通过3维的计算全息获得所需的光场分布，实现对目标区域的补偿。然而在实际的实验中，实现在光束传播方向上的分辨率在10微米量级的3维计算全息的通常需要数值孔径NA>0.5的透镜系统，镜头距离目标区域一般不大于10mm，多数实验系统无法满足这样的要求。因此，有必要探索实验上更容易实现的基于光学偶极势补偿方案。
发明内容
本发明针对上述存在的问题，提供一种基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，即采用一对正交的空间调制激光束产生的光学偶极势场抵消非均匀外势场。该装置的光路系统并不复杂，大多数实验系统都能满足要求，对于pK量级温度的冷原子样品制备有现实意义。同时提供一种用两个二维光场合成一个所需三维光场的方法，该方法解决了直接用三维计算全息获得所需光场分布的弊端，且简单易行。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，包括：第一激光器输出第一束激光经第一光纤耦合器进入第一保偏光纤，再经第一保偏光纤匹配管输出后被第一光束取样板分成第一透射光和第一反射光，第一反射光经第一光电探测器转换成电信号进入第一光功率反馈控制模块，再反馈至第一台激光器；在第一透射光输出方向上依次是第一耦合透镜、第一液晶空间光调制器、第一傅里叶变换透镜、非均匀外势场、第一成像透镜和第一CCD相机；所述的第一保偏光纤匹配管位于第一耦合透镜的前焦面，该第一耦合透镜的后焦面与第一傅里叶变换透镜的前焦面重合，所述的第一液晶空间光调制器位于该重合位置，第一成像透镜的像面是第一CCD相机的阵列面所在处。
第二激光器输出第二束激光经第二光纤耦合器进入第二保偏光纤，再经第二保偏光纤匹配管输出后被第二光束取样板分成第二透射光和第二反射光，第二反射光经第二光电探测器转换成电信号进入第二光功率反馈控制模块，再反馈至第二台激光器；在第二透射光输出方向上依次是第二耦合透镜、第二液晶空间光调制器、第二傅里叶变换透镜、非均匀外势场、第二成像透镜和第二CCD相机；所述的第二保偏光纤匹配管位于第二耦合透镜的前焦面，该第二耦合透镜的后焦面与第二傅里叶变换透镜的前焦面重合，所述的第二液晶空间光调制器位于该重合位置，第二成像透镜的像面是第二CCD相机的阵列面所在处。
所述的第一激光器产生第一空间调制光束，第二激光器产生第二空间调制光束，且第一空间调制光束的波长与第二空间调制光束的波长相差0.01nm，以防止第一透射光和第二透射光在非均匀外势场位置处形成干涉。
进一步地，所述的第一透射光和第二透射光在非均匀外势场位置处是正交的。
进一步地，所述的第一激光器和第二激光器的输出光功率通过以下步骤计算得出：
步骤1：非均匀外势场的三维分布U(x,y,z)，其三维离散化势场分布为t(xn,yn,zn)，对不同的zn把t(xn,yn,zn)拆分成一系列tn(xn,yn)，利用二次规划进行最优化分解，寻找使tn(xn,yn)拆分成gn(xn)+hn(yn)的最优解：
min∑(gn(xn)+hn(yn)-tn(xn,yn))^2
Figure BDA0002006612750000031
可以得到两个二维离散化势场分布g(xn,zn)和h(yn,zn)，即把三维离散化势场t(xn,yn,zn)分解成两个2维离散化势场g(xn,zn)和h(yn,zn)的叠加；
步骤2：对于步骤1得出的二维非均匀离散化势场g(xn,zn)和h(yn,zn)，需要分别用第一激光器和第二激光器输出的激光产生的光学偶极势场进行抵消，获得第一激光器的光功率密度I1(x,z)和第二激光器的光功率密度I2(y,z)，公式如下：
Figure BDA0002006612750000032
其中，Udip为光学偶极势，p为俘获光的偏振参数，p＝0表示线偏振，p＝-1表示左旋圆偏振，p＝+1表示右旋圆偏振，Δ1,F和Δ2,F分别为俘获激光相对于D1线和D2线的失谐量，gF为朗德因子，mF是磁量子数，Γ为两个能级之间的衰减率，ω0为两个能级之间共振跃迁角频率，I为激光的光功率密度；
步骤3：计算第一激光器输出的光功率P1和第二激光器输出的光功率P2，公式如下：
Figure BDA0002006612750000041
进一步地，所述的第一CCD相机和第二CCD相机测量光功率密度的校准包括以下步骤：
用已经校准的光功率计分别测量第一激光器和第一激光器的输出光功率P1和P2，然后加上标准的固定倍数衰减片，再测量第一CCD相机和第二CCD相机成像后获得的点数，从而完成对第一CCD相机和第二CCD相机测量光功率密度的校准。
进一步地，所述的第一光功率反馈控制模块和第二光功率反馈控制模块均由同相比例运算电路、反向比例运算电路、积分运算电路组成，第一反射光和第二反射光分别被第一光电探测器和第二光电探测器转换成电信号后，分别由反馈信号输入端口输入同相比例运算电路，计算机输出的模拟信号由计算机模拟输入端口进入反向比例运算电路，通过比较反馈信号和计算机模拟信号，得到误差信号由比例-积分电路输出端口输出，再分别反馈给第一激光器和第二激光器，即可实现恒定的光功率控制。
本发明相比背景技术具有以下优点：
1、本发明提供了一种采用正交的空间调制激光束产生的光学偶极势场抵消非均匀外势场的有效方案，用于pK量级温度的冷原子样品的制备，特别是对于费米子以及玻色子处于磁场敏感态的情形。
2、用二次规划的方法使一个三维光场分解成两个二维光场的叠加，解决了直接用三维计算全息获得所需光场分布的弊端，且简单易行。
下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是一种基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置示意图。
图2是光功率反馈控制模块的电路图。
图3A和图3B是本发明实施例中选取的线圈的示意图。图3A描述了线圈的实际形状，图3B描述了线圈具体的几何参数。
图4A是本发明实施例中选取的非均匀磁场的磁感应强度B随Z轴变化的图像。
图4B是本发明实施例中选取的非均匀磁场的磁感应强度B随X轴变化的图像。
图5A和图5B是利用二次规划的方法把线圈产生的三维非均匀磁场的磁感应强度分解成两个二维磁感应强度的分布图。
图6A和图6B是两台激光器产生所需光学偶极势的归一化光场分布图。
图7是GS算法流程图。
图8A和图8B是通过计算机输入两个液晶空间光调制器的相位参数分布图。
图9是87Rb和40K的光学偶极势曲线。
图10A和图10B是激光器产生的光场对应的磁场与需要被补偿的线圈产生的磁场的差值随坐标轴的变化图，图10A是差值随Z轴的变化，图10B是差值随X轴的变化。
具体实施方式
基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，主要涉及采用光学偶极势场抵消非均匀外势场，如磁场或重力场产生的非均匀外势场，用于pK量级温度的冷原子样品的制备。下面以87Rb原子和非均匀磁场产生的外势场为例进行阐述，此处描述的原理也可用于其他中性原子和其他非均匀外势场。
图1是本发明的一种基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置示意图。根据图1搭建光路，第一激光器1输出第一束激光经第一光纤耦合器2进入第一保偏光纤3，再经第一保偏光纤匹配管4输出后被第一光束取样板5分成第一透射光T1和第一反射光R1，第一反射光R1经第一光电探测器6转换成电信号后进入第一光功率反馈控制模块7，再反馈至第一激光器1；在第一透射光T1方向上依次是第一耦合透镜8、第一液晶空间光调制器9、第一傅里叶变换透镜10、非均匀外势场25、第一成像透镜11、第一CCD相机12；所述的第一保偏光纤匹配管4位于第一耦合透镜8的前焦面，该第一耦合透镜8的后焦面与第一傅里叶变换透镜10的前焦面重合，所述的第一液晶空间光调制器9位于该重合位置，第一成像透镜11的像面是第一CCD相机12的阵列面所在处；
第二激光器13输出第二束激光经第二光纤耦合器14进入第二保偏光纤15，再经第二保偏光纤匹配管16输出后被第二光束取样板17分成第二透射光T2和第二反射光R2，第二反射光R2经第二光电探测器18转换成电信号后进入第二光功率反馈控制模块19，再反馈至第二激光器13；在第二透射光T2方向上依次是第二耦合透镜20、第二液晶空间光调制器21、第二傅里叶变换透镜22、非均匀外势场25、第二成像透镜23、第二CCD相机24；所述的第二保偏光纤匹配管16位于第二耦合透镜20的前焦面，该第二耦合透镜20的后焦面与第二傅里叶变换透镜22的前焦面重合，所述的第二液晶空间光调制器21位于该重合位置，第二成像透镜23的像面是第二CCD相机24的阵列面所在处；
计算机26分别控制第一液晶空间光调制器9、第二液晶空间光调制器21、第一光功率反馈控制模块7和第二光功率反馈控制模块19；
所述的第一激光器1产生第一空间调制光束，第二激光器13产生第二空间调制光束，且第一空间调制光束的波长与第二空间调制光束的波长相差0.01nm，以防止第一透射光T1和第二透射光T2在非均匀外势场位置处形成干涉；
所述的第一透射光T1和第二透射光T2在非均匀外势场25位置处正交，该非均匀外势场25的中心位置是第一傅里叶变换透镜10的后焦面，同时是第一成像透镜11的物面，即第二傅里叶变换透镜22的后焦面和第二成像透镜23的物面。
本实施例选取的第一保偏光纤匹配管4和第二保偏光纤匹配管16，型号均是Thorlabs的ADAFCPM1，第一耦合透镜8和第二耦合透镜20选用大恒光电的GCL-010630，直径30mm，焦距5cm的双胶合消色差透镜，第一液晶空间光调制器9和第二液晶空间光调制器21是德国Holoeye公司生产的PLUTO-2型纯相位反射式调制器，第一傅里叶变换透镜10和第二傅里叶变换透镜22选用大恒光电的GCL-010604，直径25.4mm，焦距10cm的双胶合消色差透镜。
图2是第一光功率反馈控制模块7和第二光功率反馈控制模块19的电路图，由同相比例(+5)运算电路、反向比例(-1)运算电路、积分运算电路组成。第一光电探测器6和第二光电探测器18，其输出的电流信号与入射的光功率信号成正比，光功率越强，电流信号越大，再将这个电流信号加载到一个50Ω的精密电阻上，将电流信号转化成电压信号。第一反射光R1和第二反射光R2分别被第一光电探测器6和第二光电探测器18转换成电信号后，均由反馈信号输入端口输入同相比例(+5)运算电路，计算机26输出的模拟信号是+5V的正电压信号，由计算机模拟输入端口进入反向比例(-1)运算电路，通过比较反馈信号和计算机模拟信号，得到误差信号由比例-积分电路输出端口输出，再分别反馈给第一激光器1和第二激光器13，即可实现恒定的光功率控制。
图3A和图3B是本发明实施例中选取的线圈的示意图。在本实施例中，非均匀外势25是线圈产生的非均匀磁场的外势，而本发明的装置及方法不仅可以补偿非均匀磁场产生的外势，也可以补偿如非均匀重力场产生的外势等。图3A描述了线圈的实际形状，图3B描述了线圈具体的几何参数。该线圈共900匝，导线直径为1.5mm，每个线圈通以20.3A的电流，电流方向均为逆时针方向。线圈的几何参数如表1所示：
表1线圈的几何参数
Figure BDA0002006612750000071
图4A和图4B分别是线圈产生的非均匀磁场的磁感应强度B随Z轴和X轴变化的情况。线圈组的几何中心点产生的磁场的磁感应强度是546.9972G，在中心位置1mm3见方区域内磁感应强度的变化量ΔB为274.9mG。为了减弱非均匀磁场造成的负面影响，需要对线圈产生的非均匀磁场造成的非均匀势25进行补偿。
图5A和图5B是利用二次规划的方法把线圈产生的三维磁场的磁感应强度分解成两个二维磁感应强度的分布图。对于三维分布的非均匀磁场产生的外势场25，必须用二次规划的方法分解成分别以X和Y方向为法线的二维平面分布。已知非均匀磁场的磁感应强度分布B，产生的势场为U，势场U和磁感应强度B的关系为：
U＝mF·μB·gF·B (1)
其中，mF是磁量子数，μB是玻尔磁子，gF是朗德因子。
对于非均匀磁场产生的三维势场分布U，其三维离散化势场为t(xn,yn,zn)。对不同的zn把t(xn,yn,zn)拆分成一系列tn(xn,yn)，利用二次规划的方法实现最优化分解，寻找使tn(xn,yn)拆分成gn(xn)+hn(yn)的最优解：
Figure BDA0002006612750000072
得到两个二维离散化势场分布g(xn,zn)和h(yn,zn)，即把三维离散化势场t(xn,yn,zn)分解成两个三维离散化势场g(xn,zn)和h(yn,zn)的叠加。
对于碱金属原子基态，均存在D1线(nS1/2-nP1/2跃迁)和D2线(nS1/2-nP3/2跃迁)，与此同时，基态和激发态还有超精细分裂，如果激光失谐远大于超精细分裂间距Δ＞＞Δ'HFS，则对于基态|2S1/2,F,mF>的原子，光偶极势Udip(x,y,z)和光功率密度分布I(x,y,z)的关系为：
Figure BDA0002006612750000081
其中，p为俘获光的偏振参数(p＝0表示线偏振，p＝-1表示左旋圆偏振，p＝+1表示右旋圆偏振)，Δ1,F和Δ2,F分别为俘获激光相对于D1线和D2线的失谐量，gF为朗德因子，mF是磁量子数，Γ为两个能级之间的衰减率，ω0为两个能级之间共振跃迁角频率。
对87Rb的D2线(5S1/2-5P3/2跃迁)，所用俘获光是线偏光，则p＝0；
Γ＝2π×6.0666MHz，ω0＝2π×384.230484THz，mF＝1，μB＝0.927×10-23A·m2，gF＝-1/2。已知非均匀磁场的磁感应强度分布B，产生的三维势场为U，利用二次规划的方法实现最优化分解，可得两个二维平面上的势场分布g(x,z)和h(y,z)，利用第一激光器1和第二激光器13输出激光分别产生的光学偶极势Udip(x,z)和Udip(y,z)对非均匀磁场的外势g(x,z)和h(y,z)进行补偿。根据公式(3)，得到第一激光器1和第二激光器13的光功率密度I1(x,z)和I2(y,z)，图6A和图6B是第一激光器1和第二激光器13分别产生所需的光学偶极势的归一化光场分布图。再对第一激光器1和第二激光器13的光功率密度I1(x,z)和I2(y,z)进行积分：
Figure BDA0002006612750000082
可以算得第一激光器1和第二激光器13输出的光功率P1和P2。经计算，第一激光器1和第二激光器13输出的光功率均为19W。
图7是GS算法流程图。虽然得到第一激光器1和第二激光器13输出的光功率P1和P2，但第一激光器1和第二激光器13输出的光场是高斯分布光场，需要利用第一液晶空间光调制器9和第二液晶空间光调制器21分别对第一透射光T1和第二透射光T2进行相位调制，从而获得为抵消非均匀磁场产生的外势所需的光场分布，而第一液晶空间光调制器9和第二液晶空间光调制器21需要调制成的相位由GS算法得到。GS算法的过程：设初始相位为0，基模高斯光束的光场f＝|F|(束腰宽度为5mm)为入射光场进行傅里叶变换，得到g＝|g|eiψ；g＝|g|eiψ与激光器的光功率密度开方后的振幅|G|进行组合，得到g'＝|G|eiψ；对g'＝|G|eiψ进行逆傅里叶变换，得到f'＝|f'|eiφ；f'＝|f'|eiφ与输入面的振幅|F|进行组合，得到f＝|F|eiφ。重复以上步骤，进行十万次相位迭代。最终会得到需要计算机26分别输入第一液晶空间光调制器9和第二液晶空间光调制器21的相位参数
Figure BDA0002006612750000094
和
Figure BDA0002006612750000095
图8A和图8B是第一液晶空间光调制器9和第二液晶空间调制器21分别对第一透射光T1和第二透射光T2调制的相位参数
Figure BDA0002006612750000097
和
Figure BDA0002006612750000096
的分布图。
我们进一步讨论同时补偿两种原子由非均匀磁场中所带来的外势，其中每种原子各自处于特定的内态。对于这样的两种原子，通常情况下磁场导致的能级移动是不同的。因此，要实现光场同时补偿两种原子由于磁场导致的外势，需要选择适当的激光波长(通常被称为“魔术”波长)以及偏振。在本实施例中我们考虑如何同时补偿87Rb的|F＝1,mF＝1>态
Figure BDA0002006612750000091
和40K的
Figure BDA0002006612750000092
态
Figure BDA0002006612750000093
注意到87Rb的mFgF是40K的1/2，这意味着40K原子由磁场导致的能级移动(也就是磁场导致的外势)是87Rb的2倍。因此，要求激光产生的光学偶极势对40K原子同样是87Rb的2倍。图9中实线是87Rb的光学偶极势，虚线是40K的光学偶极势除以2后的曲线，计算时激光功率设为1mW和束腰宽度设为0.5mm，且是线偏振光。两条曲线的相交处就是第一激光器1和第二激光器13的输出波长754.3nm，偏振方向与Z轴平行。
图10A和图10B是第一激光器1和第二激光器13产生的光场对应的磁场与需要被补偿的线圈产生的磁场的差值随坐标轴的变化图。在±0.5mm见方的区域内，被补偿后的势场变化对应的线圈磁场变化小于3.55μG，所以势场的均匀性提高了4个数量级以上。

Claims (5)

1.一种基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，其特征在于该装置包括：
第一激光器(1)输出第一束激光经第一光纤耦合器(2)进入第一保偏光纤(3)，再经第一保偏光纤匹配管(4)输出后被第一光束取样板(5)分成第一透射光(T1)和第一反射光(R1)，第一反射光(R1)经第一光电探测器(6)转换成电信号后进入第一光功率反馈控制模块(7)，再反馈至第一激光器(1)；在第一透射光(T1)方向上依次是第一耦合透镜(8)、第一液晶空间光调制器(9)、第一傅里叶变换透镜(10)、第一成像透镜(11)、第一CCD相机(12)；所述的第一保偏光纤匹配管(4)位于第一耦合透镜(8)的前焦面，该第一耦合透镜(8)的后焦面与第一傅里叶变换透镜(10)的前焦面重合，所述的第一液晶空间光调制器(9)位于该重合位置，第一成像透镜(11)的像面是第一CCD相机(12)的阵列面所在处；
第二激光器(13)输出第二束激光经第二光纤耦合器(14)进入第二保偏光纤(15)，再经第二保偏光纤匹配管(16)输出后被第二光束取样板(17)分成第二透射光(T2)和第二反射光(R2)，第二反射光(R2)经第二光电探测器(18)转换成电信号后进入第二光功率反馈控制模块(19)，再反馈至第二激光器(13)；在第二透射光(T2)方向上依次是第二耦合透镜(20)、第二液晶空间光调制器(21)、第二傅里叶变换透镜(22)、第二成像透镜(23)、第二CCD相机(24)；所述的第二保偏光纤匹配管(16)位于第二耦合透镜(20)的前焦面，该第二耦合透镜(20)的后焦面与第二傅里叶变换透镜(22)的前焦面重合，所述的第二液晶空间光调制器(21)位于该重合位置，第二成像透镜(23)的像面是第二CCD相机(24)的阵列面所在处；
计算机(26)分别控制第一液晶空间光调制器(9)、第二液晶空间光调制器(21)、第一光功率反馈控制模块(7)和第二光功率反馈控制模块(19)；
所述的第一透射光(T1)和第二透射光(T2)在非均匀外势场(25)位置处叠加，该非均匀外势场(25)的中心位置是第一傅里叶变换透镜(10)的后焦面，同时是第一成像透镜(11)的物面，即第二傅里叶变换透镜(22)的后焦面和第二成像透镜(23)的物面；
所述的第一透射光(T1)和第二透射光(T2)在非均匀外势场(25)位置处是正交的。
2.根据权利要求1所述的基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，其特征在于，所述的第一激光器(1)产生第一空间调制光束，第二激光器(13)产生第二空间调制光束，且第一空间调制光束的波长与第二空间调制光束的波长相差0.01nm，以防止第一透射光(T1)和第二透射光(T2)在非均匀外势场(25)位置处形成干涉。
3.根据权利要求1所述的基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，其特征在于，所述的第一激光器(1)和第二激光器(13)的输出光功率通过以下步骤计算得出：
步骤1：非均匀外势场(25)的三维分布U(x,y,z)，其三维离散化势场分布为t(xn,yn,zn)，对不同的zn把t(xn,yn,zn)拆分成一系列tn(xn,yn)，利用二次规划进行最优化分解，寻找使tn(xn,yn)拆分成gn(xn)+hn(yn)的最优解：
min∑(gn(xn)+hn(yn)-tn(xn,yn))^2
Figure FDA0003082622920000021
可以得到两个二维离散化势场分布g(xn,zn)和h(yn,zn)，即把三维离散化势场t(xn,yn,zn)分解成两个2维离散化势场g(xn,zn)和h(yn,zn)的叠加；
步骤2：对于步骤1得出的二维非均匀离散化势场g(xn,zn)和h(yn,zn)，需要分别用第一激光器(1)和第二激光器(13)输出的激光产生的光学偶极势场进行抵消，获得第一激光器(1)的光功率密度I1(x,z)和第二激光器(13)的光功率密度I2(y,z)，公式如下：
Figure FDA0003082622920000022
其中，Udip为光学偶极势，p为俘获光的偏振参数，p＝0表示线偏振，p＝-1表示左旋圆偏振，p＝+1表示右旋圆偏振，Δ1,F和Δ2,F分别为俘获激光相对于D1线和D2线的失谐量，gF为朗德因子，mF是磁量子数，Γ为两个能级之间的衰减率，ω0为两个能级之间共振跃迁角频率，I为激光的光功率密度；
步骤3：计算第一激光器(1)输出的光功率P1和第二激光器(13)输出的光功率P2，公式如下：
Figure FDA0003082622920000023
4.根据权利要求1所述的基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，其特征在于所述的第一CCD相机(12)和第二CCD相机(24)测量光功率密度的校准包括以下步骤：
用已经校准的光功率计分别测量第一激光器(1)和第一激光器(13)的输出光功率P1和P2，然后加上标准的固定倍数衰减片，再测量第一CCD相机(12)和第二CCD相机(24)成像后获得的点数，从而完成对第一CCD相机(12)和第二CCD相机(24)测量光功率密度的校准。
5.根据权利要求1所述的基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置，其特征在于所述的第一光功率反馈控制模块(7)和第二光功率反馈控制模块(19)均由同相比例运算电路、反向比例运算电路、积分运算电路组成，第一反射光(R1)和第二反射光(R2)分别被第一光电探测器(6)和第二光电探测器(18)转换成电信号后，分别由反馈信号输入端口输入同相比例运算电路，计算机(26)输出的模拟信号由计算机模拟输入端口进入反向比例运算电路，通过比较反馈信号和计算机模拟信号，得到误差信号由比例-积分电路输出端口输出，再分别反馈给第一激光器(1)和第二激光器(13)，即可实现恒定的光功率控制。
CN201910230702.1A 2019-03-26 2019-03-26 基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置 Active CN110006827B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910230702.1A CN110006827B (zh) 2019-03-26 2019-03-26 基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910230702.1A CN110006827B (zh) 2019-03-26 2019-03-26 基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110006827A CN110006827A (zh) 2019-07-12
CN110006827B true CN110006827B (zh) 2021-07-27

Family

ID=67168124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910230702.1A Active CN110006827B (zh) 2019-03-26 2019-03-26 基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110006827B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4429954A (en) * 1980-11-05 1984-02-07 Aerodyne Research, Inc. Spatial light modulator and process of modulation
CA2246258A1 (en) * 1998-08-31 2000-02-29 Photonics Research Ontario Novel optical scheme for holographic imaging of complex defractive elements in materials
CN101657062A (zh) * 2009-09-01 2010-02-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 折叠式双光束磁光阱系统
CN101939638A (zh) * 2008-01-18 2011-01-05 皇家飞利浦电子股份有限公司 使用具有轨道角动量的光的核磁共振光谱术
CN202110377U (zh) * 2011-01-27 2012-01-11 西北工业大学 采用透射式空间光调制器产生螺旋桨式旋转光束的装置
CN103954367A (zh) * 2014-04-18 2014-07-30 河南科技大学 一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法
CN105301526A (zh) * 2015-11-10 2016-02-03 北京航空航天大学 一种磁显微成像方法及装置
CN105469848A (zh) * 2015-12-30 2016-04-06 安徽师范大学 原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统和方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9575464B2 (en) * 2013-03-15 2017-02-21 Vincent A Cassella Non-mechanical digital/holographic wide angle control of one or more lasers beams

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4429954A (en) * 1980-11-05 1984-02-07 Aerodyne Research, Inc. Spatial light modulator and process of modulation
CA2246258A1 (en) * 1998-08-31 2000-02-29 Photonics Research Ontario Novel optical scheme for holographic imaging of complex defractive elements in materials
CN101939638A (zh) * 2008-01-18 2011-01-05 皇家飞利浦电子股份有限公司 使用具有轨道角动量的光的核磁共振光谱术
CN101657062A (zh) * 2009-09-01 2010-02-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 折叠式双光束磁光阱系统
CN202110377U (zh) * 2011-01-27 2012-01-11 西北工业大学 采用透射式空间光调制器产生螺旋桨式旋转光束的装置
CN103954367A (zh) * 2014-04-18 2014-07-30 河南科技大学 一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法
CN105301526A (zh) * 2015-11-10 2016-02-03 北京航空航天大学 一种磁显微成像方法及装置
CN105469848A (zh) * 2015-12-30 2016-04-06 安徽师范大学 原子冷却用二维纳米局域光场的构建系统和方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A combined system for generating a uniform magnetic field and its application in the investigation of Efimov physics;Rui Yao 等;《Chin. Phys. B》;20181231;第1-6页 *
Bose-Einstein Condensation in Microgravity;T. van Zoest 等;《SCIENCE》;20100618;第1540-1545页 *
Cooling Bose-Einstein Condensates Below 500 Picokelvin;A. E. Leanhardt 等;《SCIENCE》;20030821;第1513-1516页 *
Matter Wave Lensing to Picokelvin Temperatures;Tim Kovachy 等;《PHYSICAL REVIEW LETTERS》;20150408;第1-5页 *
玻色-爱因斯坦凝聚在中国科学院上海光机所实现;周蜀渝 等;《物理》;20021231;第481-482页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110006827A (zh) 2019-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5854735B2 (ja) 核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法
JP5854736B2 (ja) 核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法
US9134450B2 (en) Cold atom gravity gradiometer
US6472869B1 (en) Diode laser-pumped magnetometer
CN105301541B (zh) 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
CN105301526A (zh) 一种磁显微成像方法及装置
Knauer et al. A new dispersion interferometer for the stellarator Wendelstein 7-X
CN115727829A (zh) 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统
CN110006827B (zh) 基于空间调制光束补偿非均匀外势的装置
US2913665A (en) Optical microwave power measuring system
Mieling The response of laser interferometric gravitational wave detectors beyond the eikonal equation
CN116718960A (zh) 一种原子磁强计磁光非正交角的测量方法
CN114167080B (zh) 一种水平加速度测量装置及方法
Palmer et al. Measurement of ion motion in a shear Alfvén wave
Zou et al. Opto-Mechanical systems design for polarimeter-interferometer on EAST
Tarabrin Interaction of plane gravitational waves with a Fabry-Perot cavity in the local Lorentz frame
CN113341235A (zh) 一种测量装置
Ng et al. Measuring gravitational effect of superintense laser by spin-squeezed Bose–Einstein condensates interferometer
JP2020184633A (ja) 原子干渉計システム
Aliev et al. Theory on electromagnetic surface wave propagation in inhomogeneous plasmas
KR101528221B1 (ko) 가변 정자기장 케비티를 이용한 중성자 스핀 편극 장치
CN115754845B (zh) 基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法
WO2019129746A1 (en) Devices for the directional emission and reception of gravitational waves
Zhang et al. 3D-printed sensor for unshielded scalar magnetometry based on nonlinear magneto-optical rotation with amplitude modulated light
CN116879813B (zh) 基于原位磁补偿甚低频原子磁强计的信号检测方法及系统

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