CN111579099A - 紧凑型冷原子干涉信息获取装置 - Google Patents

紧凑型冷原子干涉信息获取装置 Download PDF

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Abstract

为克服现有冷原子双能级探测系统难以实现小型化的缺陷，本发明提供一种紧凑型冷原子干涉信息获取装置。本发明中探测光发射组件中使用特殊设计的近梯形分光棱镜对探测光进行分束，压缩了探测光的光路长度，光路易于对准，光机结构紧凑，实现了装置的小型化，并具有高的可靠性和稳定性；所述近梯形分光棱镜的上底面和下底面平行，两个等腰侧面与下底面之间的夹角均为45°；下底面中部设有内凹的V型反射表面，下底面被内凹的V型反射表面分割为两个相同的矩形表面；两个矩形表面均镀有所通过光波长的光学增透膜；两个等腰侧面、内凹的V型反射表面均镀有所反射光波长的光学高反射膜。

Description

紧凑型冷原子干涉信息获取装置
技术领域
本发明涉及冷原子干涉激光探测技术，特别涉及一种紧凑型冷原子干涉信息获取装置。
背景技术
高精度的冷原子干涉仪已经从实验室逐渐走向实际工程应用。在冷原子干涉仪中，利用6束正交对射的稳频激光制备出冷原子团(冷原子数大于106量级，温度为μK量级)作为冷原子干涉仪的工作介质，冷原子团经过Raman激光技术进行分束、偏转、合束后，再进入以冷原子双能级探测技术为基础的冷原子干涉信息获取装置中得到原子干涉信息。这个过程中，冷原子干涉信息获取装置的性能与冷原子干涉仪的性能直接相关。同时为了野外现场应用的严苛要求，冷原子干涉仪要尽可能的小型化、集成化，还要具备高稳定性和高可靠性。作为冷原子干涉仪的关键子系统，冷原子干涉信息获取装置在满足以上要求的同时还要具备获得高信噪比冷原子干涉信息的能力。
以超冷87Rb原子为工作介质的冷原子干涉仪运行为例，87Rb原子团被激光冷却俘获后竖直抛射，飞行过程中经微波选态、速度选择及与π/2-π-π/2序列的Raman激光脉冲作用后，处在|52S1/2，F＝2，mF＝0>和|52S1/2，F＝1，mF＝0>的相干叠加态上。处于叠加状态的冷原子团下落进入冷原子干涉信息获取区，通过双能级探测法提取出原子干涉信息。图1为双能级探测法的原理示意图，冷原子团中处于态|52S1/2，F＝2，mF＝0>的原子被第一探测光驻波场1(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝2>→|52P3/2，F′＝3>跃迁)所激发，跃迁到|52P3/2，F′＝3>的激发态上，然后自发辐射出共振荧光后回到|52S1/2，F＝2>态上，共振荧光是随机向周围发射的，经第一荧光收集透镜组2收集并成像后被第一光电管探测器3收集并转化成光电流信号。随后冷原子团继续下落经过一个吹除光行波场4(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝2>→|52P3/2，F′＝3>跃迁)，处于|52S1/2，F＝2>态上原子被全部吹除。冷原子团中将只剩下处于|52S1/2，F＝1，mF＝0>的原子，该部分原子继续下落，进入到回泵光驻波场5(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝1>→|52P3/2，F′＝2>跃迁)后，被抽运到|52S1/2，F＝2>态上，然后进入第二探测光驻波场6(频率与第一探测光驻波场1相同)，被激发至|52P3/2，F′＝3>态上，然后通过自发辐射回到|52P3/2，F′＝2>态上，过程中所释放的共振荧光，经第二荧光收集透镜组7收集并成像后被第二光电探测器8转化成光电流信号。在冷原子干涉信息的获取过程中，为提高信噪比，就必须提高冷原子装置中荧光收集子系统的效率，为此荧光收集子系统中通常采用大直径透镜或透镜组收集荧光，同时还要使透镜或透镜组尽量靠近冷原子与驻波场相互作用的区域。这必然要求增大真空探测区的探测窗口尺寸以与之配合。这自然增大了真空探测区的直径，与冷原子干涉仪的小型化要求矛盾。
另一方面，双能级探测过程中，两个能级探测中发出的荧光需要使用两个荧光收集器分别收集。由于现有的探测装置中，两个能级的探测距离很接近，所以第一个能级探测时发出的荧光信号会同时进入两个荧光收集器，使第二荧光收集器收集的荧光信号包含了串扰信号，降低了系统测量结果的信噪比，这是影响冷原子干涉精度的一个较大的误差来源，且难以滤除。且荧光收集器采用的透镜或透镜组直径越大时这种串扰越大，导致的测量误差越大。
此外，由于原子超精细能级结构对磁场十分敏感，整个冷原子探测过程中需要严格屏蔽外界磁场及地磁场的影响。通常采用多层(至少两层)磁屏蔽桶将整个冷原子干涉仪物理系统系统包覆起来，从而隔绝外部磁场的影响。由于磁屏蔽材料(通常采用玻莫合金)密度较大，因此需要尽可能的缩小磁屏蔽桶的直径以达到减重目的，相应的冷原子干涉信息获取装置的横向尺寸也要尽可能的小，以满足这一要求。这与冷原子干涉仪物理系统的小型化要求矛盾。
整个探测系统中需要产生三个驻波场，一个行波场，现有系统通常会采用多个偏振分束器与玻片组合进行光束分束，会造成安装调试的困难及可靠性的问题。同时驻波场的调节通常采用可调节的反射镜镜架，但是可调节的弹性机械结构会带来可靠性和稳定性方面的缺陷，无法满足现场使用要求。
发明内容
为了克服现有冷原子双能级探测系统难以实现小型化的缺陷，本发明提供一种紧凑型冷原子干涉信息获取装置。本发明使用特殊设计的近梯形棱镜对光束分光并进行方向控制，光路调节简单，具备光强实时监测功能；采用特殊工作模式的冷原子荧光收集系统实现了低串扰、高信噪比的冷原子干涉信息获取，装置的整体光机结构满足小型化、高可靠的使用要求，可应用于如冷原子干涉重力仪/重力梯度仪、冷原子钟等多种基于冷原子技术的精密测量设备中。
本发明的技术解决方案如下：
紧凑型冷原子干涉信息获取装置，包括真空探测区、探测光发射组件、回泵光组件和荧光收集组件；
真空探测区的四个侧面依次记为A面、B面、C面和D面；A面、B面、C面和D面上分别设置有A光窗、B光窗、C光窗和D光窗，所有光窗上均镀所通过光波长的增透膜；
探测光发射组件和回泵光组件分别安装在所述A面和C面上
其特殊之处在于：
所述探测光发射组件包括沿水平方向依次设置的第一安装面、第一矩形开口、近梯形分光棱镜、第一偏振分束器、第一光强检测装置以及设置在第一偏振分束器的正下方的第一光纤输入型扩束准直器；第一矩形开口的上部安装有第一λ/4波片，下部安装有第二λ/4波片；
近梯形分光棱镜的上底面和下底面平行，两个等腰侧面与下底面之间的夹角均为45°；下底面中部设有内凹的V型反射表面，下底面被所述内凹的V型反射表面分割为两个相同的矩形表面；两个矩形表面均镀有所通过光波长的光学增透膜；两个等腰侧面、内凹的V型反射表面均镀有所反射光波长的光学高反射膜；
近梯形分光棱镜的上、下底面均与所述第一安装面平行，下底面朝向所述第一矩形开口，所述第一矩形开口对准所述A光窗。
进一步地，所述第一光纤输入型扩束准直器用于对输入的探测激光进行扩束准直，将其转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束。
进一步地，所述第一光纤输入型扩束准直器包括沿光输入方向依次设置且同光轴的第一光纤输入耦合头、第一偏振棱镜、第一凹透镜、第一非球面镜、凹面为自由曲面的平凹透镜和凸面为自由曲面的平凸透镜。
进一步地，回泵光组件包括沿水平方向依次设置的第二安装面、第二矩形开口、矩形平面反射镜、第二偏振分束器和第二光强检测装置，以及设置在第二偏振分束器正下方的第二光纤输入型扩束准直器；矩形平面反射镜的两个矩形表面均为光学镜面，其中一个表面作为反光面，反光面在在冷原子团下落方向上分为三个区，两端两个区的表面镀所反射光波长的高反射膜，用于将入射的探测光反射以形成第一探测光驻波场和第二探测光驻波场，中间区不镀膜或者镀对通过光波长的增透膜，用于使回泵光通过；矩形平面反射镜的上部设置有用于遮挡第一探测光驻波场下边沿一部分探测激光的挡光板；所述第二矩形开口对准所述C光窗。
进一步地，第二光纤输入型扩束准直器用于对输入的回泵激光进行扩束准直，将其转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束。
进一步地，第二光纤输入型扩束准直器包括沿光输入方向依次设置且同光轴的第二光纤输入耦合头、第二偏振棱镜、第二凹透镜、第二非球面镜、自由曲面透镜和自由曲面透镜。
进一步地，荧光收集组件包括用于探测第一探测光驻波场产生的荧光的第一原子能级探测组和用于探测第二探测光驻波场产生的荧光的第二原子能级探测组。
进一步地，第一原子能级探测组的工作模式为长开模式；第二原子能级探测组的工作模式为周期性开-关模式；冷原子团下落至第二探测光驻波场上沿附近，第二原子能级探测组开始工作。
进一步地，所述第一原子能级探测组由第一荧光收集器、第二荧光收集器和第一信号处理电路构成，其输出信号同时输入所述第一信号处理电路，经求和后输出；第一荧光收集器、第二荧光收集器分别安装在所述B面和D面，且其荧光收集窗口对准B光窗和D光窗的上部；
所述第二原子能级探测组由第三荧光收集器、第四荧光收集器和第二信号处理电路构成，其输出信号同时输入所述第二信号处理电路，经求和后输出；第三荧光收集器、第四荧光收集器分别安装在所述B面和D面，且其荧光收集窗口对准B光窗和D光窗的下部；
第一荧光收集器、第二荧光收集器、第三荧光收集器、第四荧光收集器尺寸与结构均相同。
进一步地，第一荧光收集器、第二荧光收集器的光轴共线；第三荧光收集器、第四荧光收集器的光轴共线。
进一步地，单个荧光收集器包括镜筒以及设置在镜筒内且共光轴的透镜、非球面透镜和光电管，其中透镜更靠近镜筒上的圆形通光开口。
本发明的技术效果在于：
1.本发明中探测光发射组件中使用特殊设计的近梯形分光棱镜对探测光进行分束，压缩了探测光的光路长度，光路易于对准，光机结构紧凑，实现了整个冷原子干涉信息获取装置的小型化，并具有高的可靠性和稳定性。
2.本发明中光纤输入型扩束准直器由多个非球面镜构成，可将单模保偏光纤发出的圆锥形光束转换为横截面为矩形且截面内光强分布均一、偏振一致的平行光束，使光纤输入的激光能量可以被充分利用，从而降低了对激光光源功率的要求；此外当光斑尺寸为30mm×15mm时，整个扩束准直器的长度小于50mm，有利于整个系统的小型化。
3.本发明中荧光收集组件由结构和尺寸完全相同的四个荧光收集器构成，每两个荧光收集器组成一组以收集原子处于某一个能级上所发出的荧光，该布置方案在保证荧光收集系统探测效率的同时，可以使荧光收集组件采用小直径、短焦距的光学透镜或透镜组，明显压缩了成像系统的长度，相应的使整个真空系统的荧光收集窗口横向尺寸显著缩小，满足了设备小型化的要求。
4.本发明中第二组荧光收集器的第二原子能级探测组采用周期性开-关的间歇工作方式，当冷原子团下落至接近第二探测光驻波场处时才通电工作，避免了由于第一能级被探测时产生的荧光被第二原子能级探测组所接收而产生的信号串扰，使提取到的原子干涉信息的信噪比大幅度提高，有利于提高冷原子干涉仪的测量精度。
5.本发明中探测光和回泵光均带有实时功率检测功能，满足可移动冷原子设备的使用要求。
附图说明
图1是冷原子双能级探测的原理示意图。
图2是本发明提出的紧凑型冷原子干涉信息获取装置的结构示意图。
图3是本发明中的探测光发射组件结构示意图。
图4A是本发明中的近梯形分光棱镜的结构示意图。
图4B是本发明中的近梯形分光棱镜另一种优选方案的结构示意图。
图5是本发明中的回泵光组件结构示意图。
图6是本发明中的矩形平面反射镜的结构示意图。
图7是本发明中的探测光发射组件和回泵光组件光路关系示意图。
图8是本发明中的荧光收集组件工作原理示意图。
图9是本发明中的单个荧光收集器的结构示意图。
图10是本发明中的荧光收集组件工作时序示意图。
图1中附图标记说明：
1-第一探测光驻波场；2-第一荧光收集透镜组；3-第一光电管探测器；4-吹除光行波场；5-回泵光驻波场；6-第二探测光驻波场；7-第二荧光收集透镜组；8-第二光电探测器；
图2-10中附图标记说明：
100-真空探测区；
200-探测光发射组件；201-第一安装面；202-第一矩形开口；203-近梯形分光棱镜；203a-棱镜；204-第一偏振分束器；205-第一光强检测装置；206-第一λ/4波片；207-第二λ/4波片；208-第一光纤输入型扩束准直器；208a-第一光纤输入耦合头；208b-第一偏振棱镜；208c-第一凹透镜；208d-第一非球面镜；208e-凹面为自由曲面的平凹透镜；208f-凸面为自由曲面的平凸透镜；
300-回泵光组件；301-第二安装面；302-第二矩形开口；303-矩形平面反射镜；303A-挡光板；304-第二偏振分束器；305-第二光强检测装置；306-第二光纤输入型扩束准直器；306a-第二光纤输入耦合头；306b-第二偏振棱镜；306c-第二凹透镜；306d-第二非球面镜；306e-自由曲面透镜；306f-自由曲面透镜；
400-荧光收集组件；401-第一荧光收集器；402-第二荧光收集器；403-第三荧光收集器；404-第四荧光收集器；405、406-信号处理电路组成；410-圆形通光开口；411-透镜；412-非球面透镜；413-光电管；414-镜筒；
501-第一探测光驻波场；502-吹除光行波场；503-回泵激光驻波场；504-第二探测光驻波场。
具体实施方式
本实施例中的冷原子为87Rb原子，探测光和回泵光波长在780nm左右；机械结构组件中的金属材料均为无磁金属，例如铝合金、钛合金等。
如图2所示，本实施例的紧凑型冷原子干涉信息获取装置由真空探测区100、探测光发射组件200、回泵光组件300和荧光收集组件400构成。
真空探测区100是一个立方体密封腔体，其四个侧面分别记为A面、B面、C面、D面，四个侧面均设有具有跑道型光学窗口，相应的记为A光窗、B光窗、C光窗、D光窗；跑道型光学窗口两端是半径为35mm半圆形，两半圆的圆心间距离大于78mm(在其他实施例中，两半圆的半径和圆心间距也可以为其他数值，只要满足两半圆的圆心间距大于半圆的直径即可)；A光窗、B光窗、C光窗、D光窗均双面镀所通过光波长的增透膜，透射率大于99.5％。
如图3所示，探测光发射组件200包括沿水平方向从右至左依次设置的第一安装面201、第一矩形开口202、近梯形分光棱镜203、第一偏振分束器204、第一光强检测装置205以及设置在第一偏振分束器204的正下方的第一光纤输入型扩束准直器208；第一矩形开口202的上部安装有第一λ/4波片206，下部安装有第二λ/4波片207；第一矩形开口202的中心、近梯形分光棱镜203的中心、第一偏振分束器204的中心、第一光强检测装置205的中心均位于第一轴线上，该第一轴线与其所属的探测光发射组件200的第一安装面201垂直。
如图4A所示，近梯形分光棱镜203可由一块整体的石英玻璃制成，其下底面PQMN与上底面P′Q′M′N′平行，两个等腰侧面PQP′Q′、MNM′N′与下底面PQMN之间的夹角均为45°；下底面PQMN中部设有内凹的V型反射表面，内凹的V型反射表面由两个反射面HIST和JKST组成；下底面PQMN被内凹的V型反射表面分割为两个相同的矩形表面PQIH和JKNM；矩形表面PQIH和JKNM均镀有透射率大于99.5％的光学增透膜；等腰侧面PQP′Q′、MNM′N′、反射面HIST和JKST均镀有反射率大于99.6％的光学高反射膜。如图5、7所示，近梯形分光棱镜203的上、下底面均与第一安装面201平行，下底面上的两个矩形表面PQIH和JKNM朝向第一矩形开口202，上底面PQMN与第一偏振分束器204的一表面平行。如图4B所示，近梯形分光棱镜203也可由两个完全相同的棱镜203a粘结而成。
如图3所示，第一光纤输入型扩束准直器208包括沿光输入方向依次设置的第一光纤输入耦合头208a、第一偏振棱镜208b、第一凹透镜208c、第一非球面镜208d、凹面为自由曲面的平凹透镜208e和凸面为自由曲面的平凸透镜208f；第一光纤输入耦合头208a、第一偏振棱镜208b、凹透镜208c、第一非球面镜208d、凹面为自由曲面的平凹透镜208e和凸面为自由曲面的平凸透镜208f同光轴，该光轴与第一轴线垂直；
如图5所示，回泵光组件300包括沿水平方向从左至右依次设置的第二安装面301、第二矩形开口302、矩形平面反射镜303、第二偏振分束器304和第二光强检测装置305，以及设置在第二偏振分束器304正下方的第二光纤输入型扩束准直器306；第二矩形开口302的中心、矩形平面反射镜303的中心、第二偏振分束器304的中心、第二光强检测装置305的中心均位于第二轴线上，该第二轴线与其所属的回泵光组件300的第二安装面301垂直。如图6所示，矩形平面反射镜303的两个矩形表面均为光学镜面，其中一个表面作为反光面，反光面在冷原子团下落方向上分为三个区，两端两个区的表面镀对780nm光的高反射膜(反射率大于99.6％)，作用是将入射的探测光反射以形成两束探测光驻波场，中间区不镀膜或者镀对780nm光的增透膜(透射率大于99.5％)，作用是让回泵光通过。如图5所示，第二光纤输入型扩束准直器306包括沿光输入方向依次设置的第二光纤输入耦合头306a、第二偏振棱镜306b、第二凹透镜306c、第二非球面镜306d、自由曲面透镜306e和自由曲面透镜306f；第二光纤输入耦合头306a、第二偏振棱镜306b、第二凹透镜306c、第二非球面镜306d、凹面为自由曲面的平凹透镜306e和凸面为自由曲面的平凸透镜306f同光轴，该光轴与第二轴线垂直。
探测光发射组件200中的第一偏振分束器204、第一λ/4波片206、第二λ/4波片207以及回泵光组件300中的第二偏振分束器304组成激光偏振控制系统，偏振度控制原则是：激光束以线偏振状态进行偏转45°反射，以确保激光束在反射后偏振态不褪变，满足探测要求。因此，采用本设计使整个传播过程中激光处于圆偏振状态时不经过任何反射，就能有效的确保激光偏振度的稳定性和可控性。
如图1、7所示，探测光发射组件200和回泵光组件300的光路关系如下：
探测光发射组件200安装在真空探测区100的A面(与C面相对的面)，探测光发射组件200中的第一矩形开口202对准A面上的A光窗；回泵光组件300安装在真空探测区100的C面，回泵光组件300中的第二矩形开口302对准C面上的C光窗。
单模保偏光纤输入的探测激光由探测光发射组件200中的光纤输入耦合头208a输入，经第一光纤输入型扩束准直器208扩束准直后转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束，该线偏振平行光束传输至第一偏振分束器204，被第一偏振分束器204反射后从近梯形分光棱镜203的上底面入射达到内凹的V型反射表面，被分为向上和向下传输的两束光：
向上传输的光束到达近梯形分光棱镜203的上45°等腰反射面，由上45°等腰反射面反射后从近梯形分光棱镜203下底面的上部透射而出，然后经第一矩形开口202中的第一λ/4波片206变换为圆偏振光后，从真空探测区100的A光窗入射到真空探测区100内，再从C光窗出射，进入回泵光组件300，经过第二矩形开口302后被矩形平面反射镜303的上反射区以0°反射后沿原路返回，在探测光发射组件200的第一矩形开口202与回泵光组件300的第二矩形开口302之间形成圆偏振的第一探测光驻波场501；被矩形平面反射镜303的上反射区以0°反射后沿原路返回的圆偏振光再次经过第一λ/4波片206后变为与从第一光纤输入型扩束准直器208所出射的光偏振正交的线偏振光，从近梯形分光棱镜203下底面上部进入近梯形分光棱镜203后经过两次45°反射，然后从近梯形分光棱镜203的上底面出射到达第一偏振分束器204，由于光的偏振态改变了90°，因此从第一偏振分束器204透射到达第一光强检测装置205。
向下传输的光束到达近梯形分光棱镜203的下45°等腰反射面，由下45°等腰反射面反射后从近梯形分光棱镜203下底面的下部透射而出，然后经第一矩形开口202中的第二λ/4波片207变换为圆偏振光后，从真空探测区100的A光窗入射到真空探测区100内，再从C光窗出射，进入回泵光组件300，经过第二矩形开口302后被矩形平面反射镜303的下反射区以0°反射后沿原路返回，在探测光发射组件200的第一矩形开口202与回泵光组件300的第二矩形开口302之间形成圆偏振的第二探测光驻波场504；被矩形平面反射镜303的下反射区以0°反射后沿原路返回的圆偏振光再次经过第二λ/4波片207后变为与从第一光纤输入型扩束准直器208所出射的光偏振正交的线偏振光，从近梯形分光棱镜203下底面下部进入近梯形分光棱镜203后经过两次45°反射，然后从近梯形分光棱镜203的上底面出射到达第一偏振分束器204，由于光的偏振态改变了90°，因此从第一偏振分束器204透射到达第一光强检测装置205。
在矩形平面反射镜303的上部放置一条形挡光板303A，利用条形挡光板303A遮挡第一探测光驻波场501下边沿的一部分探测激光，这部分探测激光将无法被矩形平面反射镜303所反射，从而在第一个探测光驻波场下方形成吹除光行波场502。
回泵激光由回泵光组件300组件中的第二光纤输入耦合头306a输入，经光纤第二输入型扩束准直器306扩束准直后转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束，该线偏振平行光束传输至第二偏振分束器304，被第二偏振分束器304反射后从矩形平面反射镜303的中部区域透射，经过第二矩形开口302后从真空探测区100的C光窗入射到真空探测区100内，再从A光窗出射，进入探测光发射组件200，经过矩形开孔202，入射到近梯形分光棱镜203上内凹的V型反射表面，经该内凹的V型反射表面反射后，沿原路返回至第二偏振分束器304，形成一个回泵激光驻波场503；经内凹的V型反射表面反射后沿原路返回的光从第二偏振分束器304透射到达第二光强检测装置305。
如图2、8所示，荧光收集组件400由尺寸与结构均相同第一荧光收集器401-第四荧光收集器404以及第一信号处理电路405和第二信号处理电路406组成。第一荧光收集器401、第三荧光收集器403安装在真空探测区100的B面，且第一荧光收集器401、第三荧光收集器403的光轴与其安装面垂直；第二荧光收集器402、第四荧光收集器404安装在真空探测区100的D面，第二荧光收集器402、第四荧光收集器404光轴与其安装面垂直。第一荧光收集器401、第二荧光收集器402的荧光收集窗口分别对准B光窗和D光窗的上半部分，且第一荧光收集器401、第二荧光收集器402的光轴共线；第三荧光收集器403、第四荧光收集器404的荧光收集窗口分别对准B光窗和D光窗的下半部分，且第三荧光收集器403、第四荧光收集器404的光轴共线。
如图9所示为单个荧光收集器的结构示意图，其包括镜筒414以及设置在镜筒414内且共光轴的透镜411、非球面透镜412和光电管413，其中透镜411更靠近镜筒414上的圆形通光开口410。本实施例中圆形通光开口直径与跑道型光学窗口两端的半圆半径匹配，为35mm。冷原子团通过探测激光形成探测光驻波场时产生的荧光向空间四周辐射，其中一部分荧光通过真空探测区100的光窗与第一荧光收集器401-第四荧光收集器404上的圆形通光开口410后，经透镜411与非球面透镜412组成的光学系统成像在光电管413上，由光电管413探测。
如图8所示，第一荧光收集器401、第二荧光收集器402中光电管的输出信号同时输入第一信号处理电路405，经求和后输出；第三荧光收集器403、第四荧光收集器404中光电管的输出信号同时输入第二信号处理电路406，经求和后输出。
第一荧光收集器401、第二荧光收集器402组成第一原子能级探测组，第一荧光收集器401、第二荧光收集器402中光电管的工作模式为长开模式，即工作电压为V(I)；第三荧光收集器403、第四荧光收集器404组成第二原子能级探测组，第三荧光收集器403、第四荧光收集器404中光电管的工作模式为周期性开-关模式，开关时间受控制系统控制，工作时电压为V(I)，不工作时光电管不通电。
图10显示了四个荧光收集器的工作时间特性(只显示两个周期)；Tc为一个冷原子干涉时间周期内冷原子制备、选态至冷原子干涉结束所需时间；Td为干涉后信息提取即双能级探测所需总时间，其中：冷原子团通过第一探测光驻波场501所需时间为T1，在T1内冷原子团的第一能级探测完成；冷原子团从第一探测光驻波场501下沿附近下落到第二探测光驻波场504上沿附近所需时间长度(即冷原子团从第一能级探测区下落到第二能级探测区的时间)为T0，在T0内第三荧光收集器403、第四荧光收集器404组成第二能级原子探测组不工作，在T0结束时刻第三荧光收集器403、第四荧光收集器404组成第二能级原子探测组开始通电工作；冷原子团通过第二探测光驻波场504所需时间为T2，在T2内冷原子团的第二能级探测完成；第二能级探测完成后，第二能级探测组中的光电管继续工作时间T3后关闭，并有关系Td＝T1+T0+T2+T3。
87Rb冷原子团与π/2-π-π/2序列的Raman激光脉冲作用后，处在|52S1/2，F＝2，mF＝0>和|52S1/2，F＝1，mF＝0>的相干叠加态上。处于叠加状态的冷原子团下落进入本实施例的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，并进入第一探测光驻波场501，此时刻为双能级探测所需总时间Td的时间起始点，冷原子团中处于态|52S1/2，F＝2，mF＝0>的原子被第一探测光驻波场501(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝2>→|52P3/2，F′＝3>跃迁)所激发，跃迁到|52P3/2，F′＝3>的激发态上，然后自发辐射出共振荧光后回到|52S1/2，F＝2>态上，共振荧光是随机向周围发射的，经第一荧光收集器401、第二荧光收集器402组成的第一原子能级探测组收集并转化成光电流信号，该过程持续时间为T1。随后冷原子团继续下落经过吹除光行波场502(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝2>→|52P3/2，F′＝3>跃迁)，处于|52S1/2，F＝2>态上原子被全部吹除。冷原子团中将只剩下处于|52S1/2，F＝1，mF＝0>的原子，该部分原子继续下落，进入到回泵激光(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝1>→|52P3/2，F′＝2>跃迁)驻波场503后，被抽运到|52S1/2，F＝2>态上，然后继续下落至第二探测光驻波场504上沿附近，该过程持续时间为T0，此时第三荧光收集器403、第四荧光收集器404中的光电管在冷原子团快下落至第二探测光驻波场504处时才开启工作，冷原子进入第二探测光驻波场(频率与第一探测光驻波场相同)504后，被激发至|52P3/2，F′＝3>态上，然后通过自发辐射回到|52P3/2，F′＝2>态上，过程中所释放的共振荧光，经第三荧光收集器403、第四荧光收集器404组成的第二原子能级探测组收集转化成光电流信号，该过程持续时间为T2，完成探测后继续开启T3＝30ms后关闭，此时刻为双能级探测所需总时间为Td的时间结束点。至此一个双能级探测周期结束。

Claims (11)

1.紧凑型冷原子干涉信息获取装置，包括真空探测区(100)、探测光发射组件(200)、回泵光组件(300)和荧光收集组件(400)；
真空探测区(100)的四个侧面依次记为A面、B面、C面和D面；A面、B面、C面和D面上分别设置有A光窗、B光窗、C光窗和D光窗，所有光窗上均镀所通过光波长的增透膜；
探测光发射组件(200)和回泵光组件(300)分别安装在所述A面和C面上
其特征在于：
所述探测光发射组件(200)包括沿水平方向依次设置的第一安装面(201)、第一矩形开口(202)、近梯形分光棱镜(203)、第一偏振分束器(204)、第一光强检测装置(205)以及设置在第一偏振分束器(204)的正下方的第一光纤输入型扩束准直器(208)；第一矩形开口(202)的上部安装有第一λ/4波片(206)，下部安装有第二λ/4波片(207)；
近梯形分光棱镜(203)的上底面和下底面平行，两个等腰侧面与下底面之间的夹角均为45°；下底面中部设有内凹的V型反射表面，下底面被所述内凹的V型反射表面分割为两个相同的矩形表面；两个矩形表面均镀有所通过光波长的光学增透膜；两个等腰侧面、内凹的V型反射表面均镀有所反射光波长的光学高反射膜；
近梯形分光棱镜(203)的上、下底面均与所述第一安装面(201)平行，下底面朝向所述第一矩形开口(202)，所述第一矩形开口(202)对准所述A光窗。
2.根据权利要求1所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：所述第一光纤输入型扩束准直器(208)用于对输入的探测激光进行扩束准直，将其转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束。
3.根据权利要求2所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：所述第一光纤输入型扩束准直器(208)包括沿光输入方向依次设置且同光轴的第一光纤输入耦合头(208a)、第一偏振棱镜(208b)、第一凹透镜(208c)、第一非球面镜(208d)、凹面为自由曲面的平凹透镜(208e)和凸面为自由曲面的平凸透镜(208f)。
4.根据权利要求1-3任一所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：回泵光组件(300)包括沿水平方向依次设置的第二安装面(301)、第二矩形开口(302)、矩形平面反射镜(303)、第二偏振分束器(304)和第二光强检测装置(305)，以及设置在第二偏振分束器(304)正下方的第二光纤输入型扩束准直器(306)；矩形平面反射镜(303)的两个矩形表面均为光学镜面，其中一个表面作为反光面，反光面在在冷原子团下落方向上分为三个区，两端两个区的表面镀所反射光波长的高反射膜，用于将入射的探测光反射以形成第一探测光驻波场和第二探测光驻波场，中间区不镀膜或者镀对通过光波长的增透膜，用于使回泵光通过；矩形平面反射镜(303)的上部设置有用于遮挡第一探测光驻波场下边沿一部分探测激光的挡光板(303A)；所述第二矩形开口(302)对准所述C光窗。
5.根据权利要求4所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：第二光纤输入型扩束准直器(306)用于对输入的回泵激光进行扩束准直，将其转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束。
6.根据权利要求5所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：第二光纤输入型扩束准直器(306)包括沿光输入方向依次设置且同光轴的第二光纤输入耦合头(306a)、第二偏振棱镜(306b)、第二凹透镜(306c)、第二非球面镜(306d)、自由曲面透镜(306e)和自由曲面透镜(306f)。
7.根据权利要求4所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：荧光收集组件(400)包括用于探测第一探测光驻波场产生的荧光的第一原子能级探测组和用于探测第二探测光驻波场产生的荧光的第二原子能级探测组。
8.根据权利要求7所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：第一原子能级探测组的工作模式为长开模式；第二原子能级探测组的工作模式为周期性开-关模式；冷原子团下落至第二探测光驻波场上沿附近，第二原子能级探测组开始工作。
9.根据权利要求8所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：所述第一原子能级探测组由第一荧光收集器(401)、第二荧光收集器(402)和第一信号处理电路(405)构成，其输出信号同时输入所述第一信号处理电路(405)，经求和后输出；第一荧光收集器(401)、第二荧光收集器(402)分别安装在所述B面和D面，且其荧光收集窗口对准B光窗和D光窗的上部；
所述第二原子能级探测组由第三荧光收集器(403)、第四荧光收集器(404)和第二信号处理电路(406)构成，其输出信号同时输入所述第二信号处理电路(406)，经求和后输出；第三荧光收集器(403)、第四荧光收集器(404)分别安装在所述B面和D面，且其荧光收集窗口对准B光窗和D光窗的下部；
第一荧光收集器(401)、第二荧光收集器(402)、第三荧光收集器(403)、第四荧光收集器(404)尺寸与结构均相同。
10.根据权利要求9所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：第一荧光收集器(401)、第二荧光收集器(402)的光轴共线；第三荧光收集器(403)、第四荧光收集器(404)的光轴共线。
11.根据权利要求10所述的紧凑型冷原子干涉信息获取装置，其特征在于：单个荧光收集器包括镜筒(414)以及设置在镜筒(414)内且共光轴的透镜(411)、非球面透镜(412)和光电管(413)，其中透镜(411)更靠近镜筒(414)上的圆形通光开口(410)。
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