CN115060297A - 一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，两束激光分别通过光纤波导耦合后导入到原子气室附近，且分别经过一体式的镜片准直组件准直成平行光后相向穿过原子气室，其中一束泵浦激光是从光纤波导输出且经镜片准直组件后再经分光镜反射后穿过原子气室的，另一束探测光也是从光纤输出且经镜片准直组件后直线穿过原子气室后再以空间光或光纤波导传输形式打入探测器，泵浦激光和探测激光分别经过光纤传输后再经镜片准直组件进入原子气室，且三根光纤波导、三组镜片准直组件及原子气室、分光镜、连接件、探测器等各器件首尾无缝固态相连接的，通过焊接、熔接、胶粘结或分子键合力等方式固态连接成一体的。整体结构紧凑小巧且很稳定。
Description
技术领域
本发明涉及激光与原子气室相互作用领域，具体涉及一种激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统。
背景技术
在量子计算、量子模拟、量子传感与光学精密测量、原子物理、冷原子物理等领域，需要大量用到激光与原子相互作用的结构，当窄线宽泵浦激光与原子气室中的原子相互作用时，通过观察探测激光吸收的光电转化情况能得到反映出激光与原子结构及量子特性的光电探测信号、也可以进行量子操控。当改变泵浦激光、探测激光、原子状态、外界物理影响因素，会得到与这些因素相关联的光电探测信号变化情况，以此为基本的物理手段促进了量子计算、量子模拟、量子传感与光学精密测量方向发展。
目前在量子计算与模拟、量子传感与光学精密测量、原子物理、冷原子物理等领域都会用到激光与原子气室相互作用，从而提取各种物理因素信息或实现量子计算的操控。比如在里德堡原子系统里测量微波场的情况，需要一路泵浦光和一路探测光这两束光分别从相反方向重合的打入原子并与其作用，通过探测光对里德堡态的原子的吸收情况进行测量就能得到EIT信号，当有外界的微波场在原子气室附近出现时，就能产生EIT信号的分裂，由此信号就能推算外界微波场的频率、幅度大小等特性；而在此系统中就需要用到两路激光通过光耦合系统与原子气室相互作用，再用光探测器对探测激光进行吸收探测得到吸收信号。在量子计算与模拟中，也会用到多路激光与气室中的原子或离子相互作用，进行量子操控实现量子逻辑门。
现有技术方案有两种：1.两束激光通过空间光经过镜片准直组件耦合输入和耦合输出，相向穿过原子气室，其中一束泵浦激光经分光镜反射后穿过原子气室，另一束探测光直线穿过原子气室后打入探测器。这种方案里的泵浦激光和探测激光的镜片准直组件都是空间光形式进入原子气室，且两组镜片准直组件及原子气室、分光镜、探测器等各器件分别是独立松散固定的，结构较大且不稳定。2．两束激光分别通过光纤导入再经过镜片准直组件耦合输入和耦合输出，相向穿过原子气室，其中一束泵浦激光从光纤输出且经镜片准直组件后以空间光形式再经分光镜反射后穿过原子气室，另一束探测光也是从光纤输出且经镜片准直组件后以空间光形式直线穿过原子气室后再以空间光或光纤传输形式打入探测器。这种方案里的泵浦激光和探测激光分别经过光纤传输后再经镜片准直组件进入原子气室，且两根光纤、两组镜片准直组件及原子气室、分光镜、探测器等各器件分别是独立松散固定的，结构也较大且不稳定。以上两种现有的方案里的各器件是独立松散固定的，占用体积较大，且彼此之间有空气间隙，会因为应力变形和热胀冷缩导致彼此之间的相对位置及光线传输方向发生变化，从而影响测得的吸收信号的不稳定。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明的目的是要克服以上两种方案里的各器件是独立松散固定导致不稳定的，且占用体积较大的缺点，我们将各器件通过固态无缝直接连接方式将它们固定在一起成一体，从而体积变小且一体小型化稳定。
（二）技术方案
为了实现上述目的，提供了一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，此系统涉及到泵浦激光、探测激光、耦合输入输出用的光纤波导、镜片准直组件、分光镜、原子气室、连接件、探测器等。两束激光分别通过光纤波导耦合后导入到原子气室附近，且分别经过一体式的镜片准直组件准直成平行光后相向穿过原子气室，其中一束泵浦激光是从光纤波导输出且经镜片准直组件后再经分光镜反射后穿过原子气室的，另一束探测光也是从光纤输出且经镜片准直组件后直线穿过原子气室后再以空间光或光纤波导传输形式打入探测器。这种方案里的泵浦激光和探测激光分别经过光纤传输后再经镜片准直组件进入原子气室，且三根光纤波导、三组镜片准直组件及原子气室、分光镜、连接件、探测器等各器件首尾无缝固态相连接的，通过焊接、熔接、胶粘结或分子键合力等方式固态连接成一体的。整体结构紧凑小巧且很稳定。这套光耦合小型化光学系统可用于里德堡原子、量子计算和量子模拟、量子传感和光学精密测量、原子物理、冷原子物理等领域的光路部分。
一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其特征在于，包括原子气室（1），分光镜（2），连接件（3），第四镜片准直组件（4），第三套管（5），第三光纤波导（6），第一镜片准直组件（7），第一套管（8），第一光纤波导（9），第二镜片准直组件（10），第二套管（11），第二光纤波导（12），第三镜片准直组件（13），探测器（14），原子气室的充气口（18），真空泵组（19）和原子源（20）；连接件（3）包括第一连接件（3-1）、第二连接件（3-2）和第三连接件（3-3）；
由第一套管（8）来将第一光纤波导（9）和第一镜片准直组件（7）封装在一起，第一套管（8）再与第一连接件（3-1）相连接，第一连接件（3-1）再与原子气室（1）相连接，由第二套管（11）来将第二光纤波导（12）和第二镜片准直组件（10）封装在一起，第二套管（11）再与第二连接件（3-2）相连接，第二连接件（3-2）再与分光镜（2）相连接；
探测激光经过第一光纤波导（9）输出后经过第一镜片准直组件（7）准直成平行光后，穿过第一连接件（3-1）再进入原子气室（1）再出射，再经过分光镜（2）的中心后穿过第二连接件（3-2）再经第二镜片准直组件（10）耦合进第二光纤波导（12）中，入射探测激光（15）耦合进入第二光纤波导（12）后输出后再经第三镜片准直组件（13）准直后打入探测器（14）中，将激光信号转化成电信号且进行输出；泵浦激光（17）由第三光纤波导（6）导入再从输出端输出后经第四镜片准直组件（4）准直后再经第三连接件（3-3）再经分光镜（2）的反射面反射后进入原子气室（1）且与入射探测激光（15）相向传播且重合。
其中第一光纤波导（9）、第一镜片准直组件（7）、第一套管（8）、第一连接件（3-1）、原子气室（1）之间的连接处以及分光镜（2）、第二连接件（3-2）、第二镜片准直组件（10）、第二套管（11）、第二光纤波导（12）的连接处可采用胶粘结或熔接或焊接来连接固定。
其中探测激光是窄线宽或可调谐的激光，功率可调节，波长可调谐，偏振方向可调节，且由第一光纤波导（9）输入。
其中第一光纤波导（9）、第二光纤波导（12）、第三光纤波导（6）是单模或保偏光纤波导，输出端与输入端可以是FC或SMA或裸纤，也可带端帽，端帽可以是球形或平口或斜口或锥形；第一镜片准直组件（7）、第二镜片准直组件（10）、第三镜片准直组件（13）、第四镜片准直组件（4）可以是小焦距透镜或GRIN镜或自聚焦透镜。
其中第一光纤波导（9）与第一套管（8）、第一镜片准直组件（7）、第一连接件（3-1）之间可用FC法兰或SMA法兰或裸纤形式相连接，可用焊接、胶粘结或熔接方式连接固定；第三镜片准直组件（13）和探测器（14）之间可以用焊接、胶粘结或光纤法兰盘连接固定。
其中第一连接件（3-1）的中心对准原子气室（1）的中心以熔接、焊接或胶粘结方式连接固定，固定前调节入射探测激光（15）的方向使得光线经过原子气室（1）的中心线。
其中原子气室（1）可以是各种玻璃材料，可以是圆形或方形或圆柱形或棱形，里面可充入各种原子蒸汽或惰性气体或组合气体，原子气室端面可镀增透膜也可不镀膜，内部可镀石蜡这种缓解非弹性碰撞物质，侧面可连接抽真空泵组或充原子设备或真空度计，也可不连接这几类设备，在原子气室（1）的侧面可以开一个充气口（18）与真空泵组（19）和原子源（20）连接，可以根据需要给原子气室（1）充入适量原子和气体。
其中分光镜（2）可以是偏振分光棱镜或非偏振分光棱镜或双色分光镜或窄带分光镜或部分反射镜或全反射镜，形状可方形或圆形或棱形或锥形，包含一个分光面，可以让一束光反射另一束光透射。
其中分光镜（2）与原子气室（1）之间可以通过胶粘结或熔接或焊接或分子键合力连接结合，分光镜（2）与右侧、上侧的连接件（3-2）和（3-3）之间可以熔接、焊接或胶粘结方式连接固定。
入射探测激光（15）、出射探测激光（16）、泵浦激光（17）所在的端口既可作激光输入端口又可作输出端口，其中两束激光光线走向：探测光可以由入射探测激光（15）的方向输入，出射探测激光（16）的方向输出，泵浦激光可由泵浦激光（17）的箭头方向输入经分光面反射后再穿过原子气室（1）；也可以是探测光可以由入射探测激光（15）的方向输入，经分光面反射后再从泵浦激光（17）的反方向输出，泵浦光可由出射探测激光（16）的箭头反方向输入透过分光面再穿过原子气室（1）。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明以前已有的方案里的各器件是独立松散固定的，不但整体占用体积较大，且各器件彼此之间有空气间隙，这样会因为应力变形和热胀冷缩导致彼此之间的相对位置及光线传输方向发生变化，从而影响测得的吸收光电信号的不稳定。
本发明的方案里的各器件是通过固态无缝直接连接方式将它们固定在一起成一体，从而体积变小且大大提高了一体小型化稳定性，进而得到稳定的光电探测信号。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式涉及的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统的示意图。
图中：1.原子气室；2.分光镜；3.连接件；第一连接件3-1；第二连接件3-2；第三连接件3-3；4.第四镜片准直组件；5.第三套管；6.第三光纤波导；7.第一镜片准直组件；8.第一套管；9.第一光纤波导；10.第二镜片准直组件；11.第二套管；12.第二光纤波导；13.第三镜片准直组件；14.探测器；15.入射探测激光；16.出射探测激光；17.泵浦激光18. 原子气室的充气口；19.真空泵组；20.原子源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统。如图1所示，光路结构具体为：探测激光15经过第一光纤波导9输出后经过第一镜片准直组件7准直成平行光后，穿过第一连接件3-1再进入原子气室1；探测激光15从原子气室1出射后再经过分光镜2的中心后穿过第二连接件3-2，再经第二镜片准直组件10耦合进第二光纤波导12中，然后再经第三镜片准直组件13准直后打入探测器14中，可将激光信号转化成电信号且进行输出。
由第一套管8来将第一光纤波导9和第一镜片准直组件7封装在一起，第一套管8再与第一连接件3-1相连接，第一连接件3-1再与原子气室1相连接，第一光纤波导9、第一镜片准直组件7、第一套管8、第一连接件3-1、原子气室1之间的连接处可采用胶粘结或熔接或焊接来连接固定。
分光镜2、第二连接件3-2、第二镜片准直组件10、第二套管11、第二光纤波导12这几个部件之间的连接固定方法与上面一样；
第二光纤波导12与第三镜片准直组件13、探测器14之间的连接固定方法与上面同。原子气室1与分光镜2之间可以用胶粘结或分子键合力或焊接来连接固定。
泵浦激光17由第三光纤波导6导入再从输出端输出后经第四镜片准直组件4准直后再经第三连接件3-3再经分光镜2的反射面反射后进入原子气室1且与入射探测激光15相向传播且重合。第三光纤波导6、第三套管5、第四镜片准直组件4、第三连接件3-3的连接固定方式同上述第一光纤波导9、第一套管8、第一镜片准直组件7、连接件3的连接固定方式一样。连接件3与分光镜2的连接方式可用熔接、胶粘结或焊接。
器件18是原子气室的充气口、19是真空泵组、20是原子源，原子气室1内的原子浓度可以用原子气室的充气口18、真空泵组19、原子源20来控制，也可以随时关闭，也可以去掉原子气室的充气口18、真空泵组19、原子源20不用。
探测激光15是窄线宽或可调谐的激光，功率可调节，波长可调谐，偏振方向可调节，且由光纤波导9输入。
第一光纤波导9、第二光纤波导12、第三光纤波导6是单模或保偏光纤波导，输出端与输入端可以是FC或SMA或裸纤，也可带端帽，端帽可以是球形或平口或斜口或锥形等。连接件3包括：第一连接件3-1，第二连接件3-2和第三连接件3-3。激光的三处光纤波导9、12、6的输入输出方式可用一样的工艺制成，连接件3可用一样的工艺制成。
第一镜片准直组件7、第二镜片准直组件10、第三镜片准直组件13、第四镜片准直组件4可以是小焦距透镜或GRIN镜或自聚焦透镜等。
第一光纤波导9与第一套管8、第一镜片准直组件7、第一连接件3-1之间可用FC法兰或SMA法兰或裸纤形式相连接，可用焊接、胶粘结或熔接等方式连接固定。第一套管8可将第一光纤波导9、第一镜片准直组件7封接成一体。
第一连接件3-1的中心对准原子气室1的中心以熔接、焊接或胶粘结方式连接固定，固定前调节入射探测激光15的方向使得光线经过原子气室1的中心线。
原子气室1可以是各种玻璃材料，可以是圆形或方形或圆柱形或棱形，里面可充入各种原子蒸汽或惰性气体或组合气体，原子气室端面可镀增透膜也可不镀膜，内部可镀石蜡等缓解非弹性碰撞物质。侧面可连接抽真空泵组或充原子设备或真空度计等，也可不连接这几类设备。在原子气室1的侧面可以开一个充气口18与真空泵组19和原子源20连接，可以根据需要给原子气室1充入适量原子和气体。
分光镜2可以是偏振分光棱镜或非偏振分光棱镜或双色分光镜或窄带分光镜或部分反射镜或全反射镜，形状可方形或圆形或棱形或锥形，包含一个分光面，可以让一束光反射另一束光透射。
分光镜2与原子气室1之间可以通过胶粘结或熔接或焊接或分子键合力连接结合。
分光镜2与右侧、上侧的连接件3-2和3-3之间可以熔接、焊接或胶粘结方式连接固定。
两束激光光线走向：探测光可以由入射探测激光15的方向输入，出射探测激光16的方向输出，泵浦激光可由17的箭头方向输入经分光面反射后再穿过原子气室1；也可以是探测光可以由入射探测激光15的方向输入，经分光面反射后再从泵浦激光17的反方向输出，泵浦光可由出射探测激光16的箭头反方向输入透过分光面再穿过原子气室1；
入射探测激光15、出射探测激光16、泵浦激光17所在的端口既可作激光输入端口又可作输出端口。
探测激光穿过第一光纤波导9、原子气室1、分光镜2后再经过第二连接件3-2、第二镜片准直组件10、第二套管11、第二光纤波导12准直后且传输给第三镜片准直组件13和光电型的探测器14，可将激光信号转化成电信号且进行输出。
第三镜片准直组件13和探测器14之间可以用焊接、胶粘结或光纤法兰盘连接固定。
以上从所有的器件1-20可连接成一体，稳固结实、体积小巧、便携好用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其特征在于，包括原子气室（1），分光镜（2），连接件（3），第四镜片准直组件（4），第三套管（5），第三光纤波导（6），第一镜片准直组件（7），第一套管（8），第一光纤波导（9），第二镜片准直组件（10），第二套管（11），第二光纤波导（12），第三镜片准直组件（13），探测器（14），原子气室的充气口（18），真空泵组（19）和原子源（20）；连接件（3）包括第一连接件（3-1）、第二连接件（3-2）和第三连接件（3-3）；
由第一套管（8）来将第一光纤波导（9）和第一镜片准直组件（7）封装在一起，第一套管（8）再与第一连接件（3-1）相连接，第一连接件（3-1）再与原子气室（1）相连接，由第二套管（11）来将第二光纤波导（12）和第二镜片准直组件（10）封装在一起，第二套管（11）再与第二连接件（3-2）相连接，第二连接件（3-2）再与分光镜（2）相连接；
探测激光经过第一光纤波导（9）输出后经过第一镜片准直组件（7）准直成平行光后，穿过第一连接件（3-1）再进入原子气室（1）再出射，再经过分光镜（2）的中心后穿过第二连接件（3-2）再经第二镜片准直组件（10）耦合进第二光纤波导（12）中，入射探测激光（15）耦合进入第二光纤波导（12）后输出后再经第三镜片准直组件（13）准直后打入探测器（14）中，将激光信号转化成电信号且进行输出；泵浦激光（17）由第三光纤波导（6）导入再从输出端输出后经第四镜片准直组件（4）准直后再经第三连接件（3-3）再经分光镜（2）的反射面反射后进入原子气室（1）且与入射探测激光（15）相向传播且重合。
2.一种根据上述权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其特征在于，其中第一光纤波导（9）、第一镜片准直组件（7）、第一套管（8）、第一连接件（3-1）、原子气室（1）之间的连接处以及分光镜（2）、第二连接件（3-2）、第二镜片准直组件（10）、第二套管（11）、第二光纤波导（12）的连接处可采用胶粘结或熔接或焊接来连接固定。
3.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中探测激光是窄线宽或可调谐的激光，功率可调节，波长可调谐，偏振方向可调节，且由第一光纤波导（9）输入。
4.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中第一光纤波导（9）、第二光纤波导（12）、第三光纤波导（6）是单模或保偏光纤波导，输出端与输入端可以是FC或SMA或裸纤，也可带端帽，端帽可以是球形或平口或斜口或锥形；第一镜片准直组件（7）、第二镜片准直组件（10）、第三镜片准直组件（13）、第四镜片准直组件（4）可以是小焦距透镜或GRIN镜或自聚焦透镜。
5.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中第一光纤波导（9）与第一套管（8）、第一镜片准直组件（7）、第一连接件（3-1）之间可用FC法兰或SMA法兰或裸纤形式相连接，可用焊接、胶粘结或熔接方式连接固定；第三镜片准直组件（13）和探测器（14）之间可以用焊接、胶粘结或光纤法兰盘连接固定。
6.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中第一连接件（3-1）的中心对准原子气室（1）的中心以熔接、焊接或胶粘结方式连接固定，固定前调节入射探测激光（15）的方向使得光线经过原子气室（1）的中心线。
7.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中原子气室（1）可以是各种玻璃材料，可以是圆形或方形或圆柱形或棱形，里面可充入各种原子蒸汽或惰性气体或组合气体，原子气室端面可镀增透膜也可不镀膜，内部可镀石蜡这种缓解非弹性碰撞物质，侧面可连接抽真空泵组或充原子设备或真空度计，也可不连接这几类设备，在原子气室（1）的侧面可以开一个充气口（18）与真空泵组（19）和原子源（20）连接，可以根据需要给原子气室（1）充入适量原子和气体。
8.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中分光镜（2）可以是偏振分光棱镜或非偏振分光棱镜或双色分光镜或窄带分光镜或部分反射镜或全反射镜，形状可方形或圆形或棱形或锥形，包含一个分光面，可以让一束光反射另一束光透射。
9.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，其中分光镜（2）与原子气室（1）之间可以通过胶粘结或熔接或焊接或分子键合力连接结合，分光镜（2）与右侧、上侧的第二连接件（3-2）和第三连接件（3-3）之间可以熔接、焊接或胶粘结方式连接固定。
10.一种采用权利要求1所述的一种用于激光与原子气室相互作用的光耦合小型化光学系统，入射探测激光（15）、出射探测激光（16）、泵浦激光（17）所在的端口既可作激光输入端口又可作输出端口，其中两束激光光线走向：探测光可以由入射探测激光（15）的方向输入，出射探测激光（16）的方向输出，泵浦激光可由泵浦激光（17）的箭头方向输入经分光面反射后再穿过原子气室（1）；也可以是探测光可以由入射探测激光（15）的方向输入，经分光面反射后再从泵浦激光（17）的反方向输出，泵浦光可由出射探测激光（16）的箭头反方向输入透过分光面再穿过原子气室（1）。
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