CN115206581A - 一种平顶光束二维磁光阱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原子传感技术领域，具体涉及一种平顶光束二维磁光阱，用于解决现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处。该平顶光束二维磁光阱包括超高真空腔体、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，本发明在冷却囚禁激光光路系统中采用非球面光学元件，使冷却与囚禁激光束被整形为横截面为矩形的匀强激光束，且在光束横截面上光偏振态一致。

Description

一种平顶光束二维磁光阱
技术领域
本发明涉及原子传感技术领域，具体涉及一种平顶光束二维磁光阱。
背景技术
在冷原子研究领域，制备出大数量、低温度的冷原子源是开展相关研究的前提。磁光阱(Magneto Optical Trap，MOT)是制备冷原子源的有效途径，磁光阱在装载原子过程中，如果背景真空度较高，则此时原子背景蒸汽压较小，初始装载速率慢，达到平衡状态的原子数也比较少，但由于其背景碰撞小，原子团寿命较长；如果背景真空度较低，则原子背景蒸汽压较大，此时装载速率快，达到平衡状态的原子数较多，但由于其过高的背景碰撞率，使其原子团寿命迅速变短。为了解决上述难题，研究者提出了采用三维磁光阱(3D-MOT)和二维磁光阱(2D-MOT)结合使用的方法实现大通量、长寿命的原子团。具体方式为采用低真空的二维磁光阱(通常≥10-6帕)对原子预冷却以获得高的冷原子数，然后预冷却的原子团通过连接两磁光阱的真空差分管道导入高真空的3D-MOT(优于10-7帕)进一步冷却获得更长寿命的冷原子团。
二维磁光阱结构特点是由两对正交的激光束、两对矩形反亥姆霍兹线圈以及四面通光的真空仓组成。两对矩形反亥姆霍兹线圈通电后产生有一条零磁场线的二维的四极磁场，其中冷原子被囚禁在沿长对称轴的零磁场线周围，因此二维磁光阱中原子的冷却和囚禁仅在二维上发生，沿着原子可以自由移动的长对称轴不存在冷却和囚禁。为了增加二维磁光阱冷却原子束的通量，一般采取的途径是增加冷却区的长度，其中最常用的办法是通过增加棱镜数量并使之与半玻片配合分光，成为多级冷却，由于相邻棱镜之间需要放置半玻片所以形成了没有冷原子束产生的无效区域，使得二维磁光阱在轴线方向上的体积难以减小，难以小型化。此外增加冷却区的长度就会增加λ/2玻片、λ/4玻片、偏振分光棱镜的数量，造成安装与调节方面的困难，进而使得整个二维磁光阱对外部环境的振动和温度变化比较敏感，大大降低系统工作时的可靠性。
图1为现有二维磁光阱三级冷却系统结构的平面示意图，为方便起见图中只显示一个方向(z方向)的光学系统布置结构，另一方向(x方向)光学系统布置方式与之完全相同，产生的冷原子束沿y方向分布。该二维磁光阱三级冷却系统包括保偏光纤1、准直扩束器2、λ/2玻片3、偏振分光棱镜4、λ/2玻片5、偏振分光棱镜6、45度反射镜8、法兰管11、磁场线圈10、磁场线圈12、λ/4玻片9、λ/4玻片7、λ/4玻片20、λ/4玻片13、λ/4玻片15、λ/4玻片18、0度反射镜14、0度反射镜16、0度反射镜17和真空腔体19。从图1可以看到，该多级二维磁光阱结构复杂、光学元件多、冷原子束在轴向空间上被间断为三部分，每个冷却级之间存在较大的无效区域。
为了解决以上二维磁光阱多级冷却结构存在的问题，研究人员提出采用光学整形的办法即将冷却光束的光斑由圆形变为大纵横比的椭圆光斑(Appl.Phys.B(2012)109:61–64)，以增加冷却光斑的长度，这种方式有效的消除了多级冷却方式存在的元件过多、调节困难、级间存在无效区域的问题，由于光学元件数量显著减少，二维磁光阱的可靠性大大提高。但与二维磁光阱多级冷却结构相同的是采用该方式后，在椭圆光斑的长轴和短轴方向的光强分布仍然均为高斯分布，因此产生的线状冷原子束两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处，而提供一种平顶光束二维磁光阱。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种平顶光束二维磁光阱，包括超高真空腔体、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，其特殊之处在于：
所述超高真空腔体为六面体结构，其五个面上分别设置有第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口和第五光学窗口，所述第一光学窗口与第二光学窗口对称，所述第三光学窗口与第四光学窗口对称，所述第五光学窗口的对称面设置有真空法兰孔，用于与其它冷原子器件连接；
所述第一组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第一光学窗口、第二光学窗口外侧的第一反亥姆霍兹线圈和第二反亥姆霍兹线圈，所述第二组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第三光学窗口、第四光学窗口外侧的第三反亥姆霍兹线圈和第四反亥姆霍兹线圈；
所述冷却囚禁激光光路系统用于产生由第一光学窗口垂直入射的第一匀强激光束、由第二光学窗口垂直入射的第二匀强激光束、由第三光学窗口垂直入射的第三匀强激光束、由第四光学窗口垂直入射的第四匀强激光束，四束匀强激光束的光束横截面为矩形，且光束横截面上为光强分布均一的平行光束，四束匀强激光束的光斑尺寸及光强均相等；
所述第一匀强激光束光轴、第二匀强激光束光轴重合，所述第三匀强激光束光轴、第四匀强激光束光轴重合；第一匀强激光束光轴中心线、第三匀强激光束光轴中心线相交且垂直；
所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口的窗口玻璃的内外两面均镀有与所通过激光波长对应的增透膜。
进一步地，所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、激光准直扩束器、第一偏振分光棱镜，以及第一光路组件、第二光路组件、第一反射镜和第二反射镜；
所述光源的输出端通过光纤与激光准直扩束器的输入端连接；光源的出射光经过激光准直扩束器、第一偏振分光棱镜分为两束高斯激光束；
一束高斯激光束经过所述第一光路组件后形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口垂直入射，由第二光学窗口出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口垂直入射；
另一束高斯激光束经过所述第二光路组件后形成第三匀强激光束，第三匀强激光束由第三光学窗口垂直入射，由第四光学窗口出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口垂直入射。
进一步地，所述第一光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的λ/2玻片、第一光束整形透镜组、45度反射镜；所述第二光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的第二偏振分光棱镜、第一λ/4玻片、第二光束整形透镜组。
进一步地，所述第一光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜；所述第二光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第三自由曲面透镜和第四自由曲面透镜；所述第一光束整形透镜组、第二光束整形透镜组用于将截面光强分布为高斯型的高斯激光束整形为光束截面上光强分布均一的匀强激光束。
进一步地，所述λ/2玻片与第一λ/4玻片均安装在可绕其几何中心转动的安装座内，用以调整激光束的偏振。
进一步地，所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、设置在第一反亥姆霍兹线圈上的第一条形激光准直扩束器、设置在第三反亥姆霍兹线圈上的第二条形激光准直扩束器，以及第一反射镜和第二反射镜；
所述光源的输出端通过光纤分别与第一条形激光准直扩束器、第二条形激光准直扩束器的输入端连接；
光源的出射光经过第一条形激光准直扩束器形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口垂直入射，由第二光学窗口出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口垂直入射；
光源的出射光经过第二条形激光准直扩束器形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第三光学窗口垂直入射，由第四光学窗口出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口垂直入射。
进一步地，所述第一条形激光准直扩束器、第二条形激光准直扩束器结构相同，均包括金属壳体，金属壳体内沿光源的出射光传播方向依次设置有第三偏振分光棱镜、第二λ/4玻片、第五自由曲面透镜、第六自由曲面透镜。
进一步地，所述第一反射镜包括沿第一匀强激光束传播方向依次设置的第三λ/4玻片、第一0度反射镜；所述第二反射镜包括沿第三匀强激光束传播方向依次设置的第四λ/4玻片、第二0度反射镜。
进一步地，所述第一反亥姆霍兹线圈、第二反亥姆霍兹线圈、第三反亥姆霍兹线圈和第四反亥姆霍兹线圈结构相同，均包括环形金属骨架；环形金属骨架的外壁设置有环形槽，环形槽内缠绕铜漆包线；环形金属骨架侧壁上沿轴向设置有矩形贯穿槽，矩形贯穿槽位于环形金属骨架沿轴向的对称面上，矩形贯穿槽内设置有形状适配的非金属不导电材料。
进一步地，所述第三λ/4玻片、第四λ/4玻片均采用多个正方形λ/4玻片拼接而成，拼接时多个正方形λ/4玻片的快轴和慢轴的安装方向相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明一种平顶光束二维磁光阱，包括超高真空腔体、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，本发明在冷却囚禁激光光路系统中采用非球面光学元件，使冷却与囚禁激光束被整形为横截面为矩形的匀强激光束，且在光束横截面上光偏振态一致。矩形匀强光斑充分利用了四束匀强激光束重合体积，消除了二维磁光阱多级冷却方式中存在的无效空间，增加了冷却区的有效长度，本发明产生的线状冷原子束沿轴线方向的密度相同，线状冷原子的温度与速度分布比较一致，解决了现有二维磁光阱所采用的椭圆光斑在长轴和短轴方向的光强分布为高斯分布，导致产生的线状冷原子束存在两端发散角大、原子束纵向(沿束方向)密度分布不均、原子速度分布较宽等问题的不足之处。
(2)本发明一种平顶光束二维磁光阱中冷却囚禁激光光路系统仅采用一根光纤进行激光束导入，减小了冷却囚禁激光光路系统的复杂度，同时大幅度减小了二维磁光阱中的光学元件数量，降低了二维磁光阱对外部环境振动和温度变化的敏感度，极大的提高了二维磁光阱的可靠性。
(3)本发明一种平顶光束二维磁光阱结构紧凑，易安装调节，易于小型化，作为原子干涉仪、原子干涉陀螺仪等设备的原子源时可有效减小仪器系统的体积，提高仪器可搬运性，有利于仪器的工程化应用。
附图说明
图1为一种现有二维磁光阱三级冷却系统结构的结构示意图。
图1附图标记说明如下：1-保偏光纤；2-准直扩束器；3-λ/2玻片；4-偏振分光棱镜；5-λ/2玻片；6-偏振分光棱镜；7-λ/4玻片；8-45度反射镜；9-λ/4玻片；10-磁场线圈；11-法兰管；12-磁场线圈；13-λ/4玻片；14-0度反射镜；15-λ/4玻片；16-0度反射镜；17-0度反射镜；18-λ/4玻片；19-真空腔体；20-λ/4玻片。
图2为本发明一种平顶光束二维磁光阱实施例1的结构示意图；
图3为图2的主视图；
图4为本发明实施例1中冷却囚禁激光光路系统所产生的匀强激光束横截面沿Y轴方向的光强分布示意图；
图5是本发明实施例1中第一反亥姆霍兹线圈的结构示意图；
图6为本发明一种平顶光束二维磁光阱实施例2的结构示意图；
图7为本发明实施例2中第一条形激光准直扩束器的结构示意图。
图2至图7附图标记说明如下：
101-光纤；100-激光准直扩束器；200-第一偏振分光棱镜；201-λ/2玻片；202-第一自由曲面透镜；203-第二自由曲面透镜；204-45度反射镜；205-第三λ/4玻片；206-第一0度反射镜；300-第二偏振分光棱镜；301-第一λ/4玻片；302-第三自由曲面透镜；303-第四自由曲面透镜；304-第四λ/4玻片；305-第二0度反射镜；400-超高真空腔体；401-第一光学窗口；402-第二光学窗口；403-第三光学窗口；404-第四光学窗口；405-第五光学窗口；406-第一反亥姆霍兹线圈；407-第二反亥姆霍兹线圈；408-第三反亥姆霍兹线圈；409-第四反亥姆霍兹线圈；410-环形金属骨架；411-矩形贯穿槽；501-第一条形激光准直扩束器；502-第二条形激光准直扩束器；503-金属壳体；504-第三偏振分光棱镜；505-第二λ/4玻片；506-第五自由曲面透镜；507-第六自由曲面透镜。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
实施例一
参照图2、图3，一种平顶光束二维磁光阱，包括超高真空腔体400、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件。
所述超高真空腔体400为无磁金属制成的中空长方体，内部充满原子蒸汽，真空度高于7×10-5Pa；超高真空腔体400五个面上分别设置有第一光学窗口401、第二光学窗口402、第三光学窗口403、第四光学窗口404和第五光学窗口405，所述第一光学窗口401与第二光学窗口402对称，所述第三光学窗口403与第四光学窗口404对称，第一光学窗口401、第二光学窗口402、第三光学窗口403、第四光学窗口404尺寸相同；所述第五光学窗口405的对称面设置有真空法兰孔，用于与其它类型的冷原子器件连接。
所述第一组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第一光学窗口401、第二光学窗口402外侧的第一反亥姆霍兹线圈406和第二反亥姆霍兹线圈407，所述第二组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第三光学窗口403、第四光学窗口404外侧的第三反亥姆霍兹线圈408和第四反亥姆霍兹线圈409。
所述冷却囚禁激光光路系统用于产生由第一光学窗口401垂直入射的第一匀强激光束、由第二光学窗口402垂直入射的第二匀强激光束、由第三光学窗口403垂直入射的第三匀强激光束、由第四光学窗口404垂直入射的第四匀强激光束，四束匀强激光束的光束横截面为矩形，且光束横截面上为光强分布均一的平行光束，四束匀强激光束的光斑尺寸及光强均相等；所述第一匀强激光束光轴、第二匀强激光束光轴重合，所述第三匀强激光束光轴、第四匀强激光束光轴重合；第一匀强激光束光轴中心线、第三匀强激光束光轴中心线相交且垂直。第一匀强激光束、第二匀强激光束、第三匀强激光束、第四匀强激光束分别在四个方向囚禁原子团，形成线状冷原子束，冷原子束长度等于实际用于冷却与囚禁原子的激光束的长度。
为方便描述，将四束匀强激光束的光束横截面长边方向定义为Y轴，短边方向定义为X轴，Y轴与X轴垂直，与Y轴与X轴所在平面垂直的为Z轴。
本实施例中所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、激光准直扩束器100、第一偏振分光棱镜200，以及第一光路组件、第二光路组件、第一反射镜和第二反射镜。
工作物质选用87Rb原子，光源出射光波长为780.24nm左右，由冷却光和再泵浦激光叠加而成，频率相对于|52S1/2，F＝3>→|52P3/2，F′＝3>的跃迁红失谐10～20MHz，总功率大于160mW。再泵浦激光的频率与|52S1/2，F＝1>→|52P3/2，F′＝2>的跃迁共振，功率大于6mW。
所述光源的输出端通过光纤101与激光准直扩束器100的输入端连接；再泵浦激光与冷却光经耦合进入光纤101后经过激光准直扩束器100、第一偏振分光棱镜200分为截面光强分布为高斯型的两束高斯激光束，两束高斯激光束的偏振态为圆偏振或者线偏振。
一束高斯激光束经过所述第一光路组件后形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口401垂直入射，由第二光学窗口402出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口402垂直入射；第一光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的λ/2玻片201、第一光束整形透镜组、45度反射镜204；第一光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第一自由曲面透镜202和第二自由曲面透镜203；第一反射镜包括沿第一匀强激光束传播方向依次设置的第三λ/4玻片205、第一0度反射镜206。
另一束高斯激光束经过所述第二光路组件后形成第三匀强激光束，第三匀强激光束由第三光学窗口403垂直入射，由第四光学窗口404出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口404垂直入射；第二光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的第二偏振分光棱镜300、第一λ/4玻片301、第二光束整形透镜组；第二光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第三自由曲面透镜302和第四自由曲面透镜303；第二反射镜包括沿第三匀强激光束传播方向依次设置的第四λ/4玻片304、第二0度反射镜305。
图4是冷却囚禁激光光路系统所产生的用于冷却碱金属原子的匀强激光束，其光束横截面沿Y轴方向的光强分布，L为匀强激光束光束的横截面沿Y轴方向的长度；器件加工精度高的情况下匀强激光束沿Y轴方向的光强分布与实线相符，器件加工精度低的情况下光强分布与虚线相符；匀强激光束横截面沿X轴方向的光强分布与沿Y轴方向的光强分布情况相同，因此不再赘述。
所述第一光束整形透镜组、第二光束整形透镜组用于将截面光强分布为高斯型的高斯激光束整形为光束截面上光强分布均一的匀强激光束。
所述λ/2玻片201与第一λ/4玻片301均安装在可绕其几何中心转动的安装座内，用以调整激光束的偏振；调节λ/2玻片201使其出射激光束的偏振态变为左旋圆偏振(σ-)/右旋圆偏振(σ+)，则相应的第一匀强激光束、第二匀强激光束的偏振态变为右旋圆偏振(σ+)/左旋圆偏振(σ-)；调节第一λ/4玻片301使其出射激光束的偏振态变为左旋圆偏振(σ-)/右旋圆偏振(σ+)，则相应的第三匀强激光束、第四匀强激光束的偏振态变为右旋圆偏振(σ+)/左旋圆偏振(σ-)。
若两束高斯激光束的偏振态为线偏振，只需将激光准直扩束器100绕自身光轴转动，使得两束高斯激光束的透射光和反射光功率相等，即可实现磁光阱功能。
所述第三λ/4玻片205、第四λ/4玻片304均采用多个正方形λ/4玻片拼接而成，尺寸为70*25mm，拼接时多个正方形λ/4玻片的快轴和慢轴的安装方向相同；所述第一0度反射镜206、第二0度反射镜305尺寸为70*25mm。
上述光学元件中，所有透射光学元件的通光表面均镀有与所通过激光波长对应的增透膜，所有反射光学元件的反射面均镀有与所反射激光波长对应的反射率大于99.7％的全反射膜。
参照图5，所述第一反亥姆霍兹线圈406、第二反亥姆霍兹线圈407、第三反亥姆霍兹线圈408和第四反亥姆霍兹线圈409结构相同，均包括环形金属骨架410；环形金属骨架410的外壁设置有环形槽，环形槽内缠绕250匝直径1mm的铜漆包线；环形金属骨架410侧壁上沿轴向设置有矩形贯穿槽411，矩形贯穿槽411位于环形金属骨架410沿轴向的对称面上，矩形贯穿槽411内设置有形状适配的非金属不导电材料，如绝缘胶木，用于防止线圈通断电时环形金属骨架410产生感生电流。
第一反亥姆霍兹线圈406与第二反亥姆霍兹线圈407之间、第三反亥姆霍兹线圈408与第四反亥姆霍兹线圈409之间所通过的电流大小相同、方向相反，用于为所述平顶光束二维磁光阱提供具有线性梯度的磁场，并在对称中心产生磁场零点。
实施例2
参照图6、图7，本实施例中，超高真空腔体400、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件的设置与实施例1相同。
所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、设置在第一反亥姆霍兹线圈406上的第一条形激光准直扩束器501、设置在第三反亥姆霍兹线圈408上的第二条形激光准直扩束器502，以及第一反射镜和第二反射镜。
光源的设置与实施例1相同，光源的输出端通过光纤101分别与第一条形激光准直扩束器501、第二条形激光准直扩束器502的输入端连接。
再泵浦激光与冷却光经耦合进入光纤101后，再经过第一条形激光准直扩束器501形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口401垂直入射，由第二光学窗口402出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口402垂直入射。
再泵浦激光与冷却光经耦合进入光纤101后，再经过第二条形激光准直扩束器502形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第三光学窗口403垂直入射，由第四光学窗口404出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口404垂直入射。
上述四束匀强激光束的光束横截面为矩形，且光束横截面上为光强分布均一的平行光束，四束匀强激光束的光斑尺寸及光强均相等；所述第一匀强激光束光轴、第二匀强激光束光轴重合，所述第三匀强激光束光轴、第四匀强激光束光轴重合；第一匀强激光束光轴中心线、第三匀强激光束光轴中心线相交且垂直。第一匀强激光束、第二匀强激光束、第三匀强激光束、第四匀强激光束分别在四个方向囚禁原子团，形成线状冷原子束，冷原子束长度等于实际用于冷却与囚禁原子的激光束的长度。
为方便描述，将四束匀强激光束的光束横截面长边方向定义为Y轴，短边方向定义为X轴，Y轴与X轴垂直，与Y轴与X轴所在平面垂直的为Z轴。
第一匀强激光束、第二匀强激光束、第三匀强激光束、第四匀强激光束截面尺寸相同，沿Y轴方向的长度均为50mm，沿X轴方向的长度均为18mm。
第一条形激光准直扩束器501、第二条形激光准直扩束器502结构相同，均包括金属壳体503，金属壳体503内沿光源的出射光传播方向依次设置有第三偏振分光棱镜504、第二λ/4玻片505、第五自由曲面透镜506、第六自由曲面透镜507。第五自由曲面透镜506、第六自由曲面透镜507用于将截面光强分布为高斯型的高斯激光束整形为光束截面上光强分布均一的匀强激光束。
调节第一条形激光准直扩束器501的第二λ/4玻片505使其出射激光束的偏振态变为左旋圆偏振(σ-)/右旋圆偏振(σ+)，则相应的第一匀强激光束、第二匀强激光束的偏振态变为右旋圆偏振(σ+)/左旋圆偏振(σ-)；调节第二条形激光准直扩束器502的第二λ/4玻片505使其出射激光束的偏振态变为右旋圆偏振(σ+)/左旋圆偏振(σ-)，则相应的第三匀强激光束、第四匀强激光束的偏振态变为左旋圆偏振(σ-)/右旋圆偏振(σ+)。
第一反射镜包括沿第一匀强激光束传播方向依次设置的第三λ/4玻片205、第一0度反射镜206；第二反射镜包括沿第三匀强激光束传播方向依次设置的第四λ/4玻片304、第二0度反射镜305。
上述光学元件中，所有透射光学元件的通光表面均镀有与所通过激光波长对应的增透膜，所有反射光学元件的反射面均镀有与所反射激光波长对应的反射率大于99.7％的全反射膜。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种平顶光束二维磁光阱，包括超高真空腔体(400)、冷却囚禁激光光路系统、第一组反亥姆霍兹线圈组件和第二组反亥姆霍兹线圈组件，其特征在于：
所述超高真空腔体(400)为六面体结构，其五个面上分别设置有第一光学窗口(401)、第二光学窗口(402)、第三光学窗口(403)、第四光学窗口(404)和第五光学窗口(405)，所述第一光学窗口(401)与第二光学窗口(402)对称，所述第三光学窗口(403)与第四光学窗口(404)对称，所述第五光学窗口(405)的对称面设置有真空法兰孔，用于与其它冷原子器件连接；
所述第一组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第一光学窗口(401)、第二光学窗口(402)外侧的第一反亥姆霍兹线圈(406)和第二反亥姆霍兹线圈(407)，所述第二组反亥姆霍兹线圈组件包括分别设置在第三光学窗口(403)、第四光学窗口(404)外侧的第三反亥姆霍兹线圈(408)和第四反亥姆霍兹线圈(409)；
所述冷却囚禁激光光路系统用于产生由第一光学窗口(401)垂直入射的第一匀强激光束、由第二光学窗口(402)垂直入射的第二匀强激光束、由第三光学窗口(403)垂直入射的第三匀强激光束、由第四光学窗口(404)垂直入射的第四匀强激光束，四束匀强激光束的光束横截面为矩形，且光束横截面上为光强分布均一的平行光束，四束匀强激光束的光斑尺寸及光强均相等；
所述第一匀强激光束光轴、第二匀强激光束光轴重合，所述第三匀强激光束光轴、第四匀强激光束光轴重合；第一匀强激光束光轴中心线、第三匀强激光束光轴中心线相交且垂直；
所述第一光学窗口(401)、第二光学窗口(402)、第三光学窗口(403)、第四光学窗口(404)的窗口玻璃的内外两面均镀有与所通过激光波长对应的增透膜。
2.根据权利要求1所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、激光准直扩束器(100)、第一偏振分光棱镜(200)，以及第一光路组件、第二光路组件、第一反射镜和第二反射镜；
所述光源的输出端通过光纤(101)与激光准直扩束器(100)的输入端连接；光源的出射光经过激光准直扩束器(100)、第一偏振分光棱镜(200)分为两束高斯激光束；
一束高斯激光束经过所述第一光路组件后形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口(401)垂直入射，由第二光学窗口(402)出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口(402)垂直入射；
另一束高斯激光束经过所述第二光路组件后形成第三匀强激光束，第三匀强激光束由第三光学窗口(403)垂直入射，由第四光学窗口(404)出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口(404)垂直入射。
3.根据权利要求2所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第一光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的λ/2玻片(201)、第一光束整形透镜组、45度反射镜(204)；所述第二光路组件包括沿激光束传播方向依次设置的第二偏振分光棱镜(300)、第一λ/4玻片(301)、第二光束整形透镜组。
4.根据权利要求3所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第一光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第一自由曲面透镜(202)和第二自由曲面透镜(203)；所述第二光束整形透镜组包括沿激光束传播方向依次设置的第三自由曲面透镜(302)和第四自由曲面透镜(303)。
5.根据权利要求4所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述λ/2玻片(201)与第一λ/4玻片(301)均安装在可绕其几何中心转动的安装座内。
6.根据权利要求1所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述冷却囚禁激光光路系统包括光源、设置在第一反亥姆霍兹线圈(406)上的第一条形激光准直扩束器(501)、设置在第三反亥姆霍兹线圈(408)上的第二条形激光准直扩束器(502)，以及第一反射镜和第二反射镜；
所述光源的输出端通过光纤(101)分别与第一条形激光准直扩束器(501)、第二条形激光准直扩束器(502)的输入端连接；
光源的出射光经过第一条形激光准直扩束器(501)形成第一匀强激光束，第一匀强激光束由第一光学窗口(401)垂直入射，由第二光学窗口(402)出射后经第一反射镜反射形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第二光学窗口(402)垂直入射；
光源的出射光经过第二条形激光准直扩束器(502)形成第二匀强激光束，第二匀强激光束由第三光学窗口(403)垂直入射，由第四光学窗口(404)出射后经第二反射镜反射形成第四匀强激光束，第四匀强激光束由第四光学窗口(404)垂直入射。
7.根据权利要求6所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第一条形激光准直扩束器(501)、第二条形激光准直扩束器(502)结构相同，均包括金属壳体(503)，金属壳体(503)内沿光源的出射光传播方向依次设置有第三偏振分光棱镜(504)、第二λ/4玻片(505)、第五自由曲面透镜(506)、第六自由曲面透镜(507)。
8.根据权利要求2至7任一所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第一反射镜包括沿第一匀强激光束传播方向依次设置的第三λ/4玻片(205)、第一0度反射镜(206)；所述第二反射镜包括沿第三匀强激光束传播方向依次设置的第四λ/4玻片(304)、第二0度反射镜(305)。
9.根据权利要求8所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第一反亥姆霍兹线圈(406)、第二反亥姆霍兹线圈(407)、第三反亥姆霍兹线圈(408)和第四反亥姆霍兹线圈(409)结构相同，均包括环形金属骨架(410)；环形金属骨架(410)的外壁设置有环形槽，环形槽内缠绕铜漆包线；环形金属骨架(410)侧壁上沿轴向设置有矩形贯穿槽(411)，矩形贯穿槽(411)位于环形金属骨架(410)沿轴向的对称面上，矩形贯穿槽(411)内设置有形状适配的非金属不导电材料。
10.根据权利要求9所述的一种平顶光束二维磁光阱，其特征在于：所述第三λ/4玻片(205)、第四λ/4玻片(304)均采用多个正方形λ/4玻片拼接而成，拼接时多个正方形λ/4玻片的快轴和慢轴的安装方向相同。
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