CN204613523U - 可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统，包括保偏光纤、光纤接口、多维调整架、准直透镜、扩束凹透镜、扩束凸透镜、二分之一波片、旋转卡环、消偏振的分束镜和四分之一波片；两束线偏振激光通过保偏光纤接入到扩束镜的两个光纤接口中，通过旋转二分之一波片可以分别对两束光的偏振方向进行调节，消偏振的分束镜用于合束，其不改变入射光的偏振，这样就得到了偏振方向不同的两种线偏振光输出；然后再经过四分之一波片，就可以得到更为丰富的偏振组合，如线偏振与圆偏振同时输出等。本实用新型可同时输出多种不同偏振态激光束，解决实验上对激光偏振的特殊要求，减少实验所需扩束镜的数量，简化实验系统，节省大量资源。

Description

可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统

技术领域

本实用新型涉及激光扩束领域，具体涉及可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统。适用于激光扩束。

背景技术

在冷原子物理研究领域，激光是对原子进行操控的最主要的手段。扩束镜往往在光学系统与物理系统之间起到桥梁的作用。其主要功能有两个：1、对光进行准直；2、对光进行扩束。这些功能无论是在原子冷却与囚禁过程中，还是在对原子探测过程都起到了至关重要的作用。

传统的扩束镜为单筒结构，一个输入端口，一个输出端口。在实际的实验中，如果需要对原子作用两种频率的光，一般是将两种光耦合到同一根保偏光纤中，再经过扩束镜进行扩束。如果要改变光的偏振，可以在扩束镜输出端安装四分之一波片，从而对光进行线偏振和圆偏振的切换。由于两种光经过的是同一根保偏光纤出射，此时，从扩束镜输出的两种光的偏振是一样的。然而，有些实验要求这两种光的偏振不同，例如一种为线偏振一种为圆偏振，可参考文献（Sisyphus Cooling of Lithium, P. Hamilton等, PHYSICAL REVIEW A， 第89卷,023409，2014年），那么传统的扩束镜就难以达到要求了。

若用传统扩束镜，为了实现上述实验的要求，只能采取空间分离的方式，即利用两个扩束镜分别对两种光进行扩束，调节各自光的偏振。虽然这样解决了偏振的问题，但势必意味着两束光不重合，这就有可能对实验造成较大的影响；另一方面，更多的扩束镜意味着需要更大或更多的窗口，而有时这些都要受到实验系统的限制，并不一定能够满足。因此，使用传统扩束镜完成两种不同偏振光的同时输出有着很多的困难和不便。

实用新型内容

本实用新型的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供了可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统，

为了实现上述的目的，本实用新型采用以下技术方案：

可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统，包括一端与第一光纤接口连接的第一保偏光纤，还包括一端与第二光纤接口连接的第二保偏光纤，第一保偏光纤出射的第一线偏振光依次经过第一准直透镜和第一二分之一波片后得到第一线偏振调整光，第一二分之一波片设置在第一旋转卡环上，第二保偏光纤出射的第二线偏振光依次经过第二准直透镜和第二二分之一波片得到第二线偏振调整光，第二二分之一波片设置在第二旋转卡环上，第一线偏振调整光经过消偏振的分束镜反射后的偏振光与第二线偏振调整光经过消偏振的分束镜透射后的偏振光合束为第一输出偏振光，第一输出偏振光依次通过第一输出扩束凹透镜和第一输出扩束凸透镜后输出，第一线偏振调整光经过消偏振的分束镜透射后的偏振光与第二线偏振调整光经过消偏振的分束镜反射后的偏振光合束为第二输出偏振光，第二偏振光依次经过第二输出扩束凹透镜、第二输出扩束凸透镜和四分之一波片后输出。

可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统，还包括第一多维调整架和第二多维调整架，第一光纤接口设置在第一多维调整架上，第二光纤接口设置在第二多维调整架上。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1、两束激光经合束后可以做到空间上的严格重合；

2、由于每一束光的偏振都可以单独调节，可以实现多种偏振组态的同时输出；

3、两个输出通道的设计可以为实验提供更加丰富的偏振态激光；总之，本实用新型对传统扩束镜的功能进行了扩展，能在其工作过程中，同时输出多种不同偏振态激光，解决实验上对激光偏振的特殊要求，减少实验所需扩束镜的数量，简化实验系统，节省大量资源。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理图；

其中：

1a—第一保偏光纤，1b—第二保偏光纤；

2a—第一光纤接口，2b—第二光纤接口；

3a—第一多维调整架，3b—第二多维调整架；

4a—第一准直透镜，4b—第二准直透镜；

5a—第一旋转卡环，5b—第二旋转卡环；

6a—第一二分之一波片，6b—第二二分之一波片；

7—消偏振的分束镜；

8-1—第一输出扩束凹透镜，8-2—第二输出扩束凹透镜；

9-1—第一输出扩束凸透镜，9-2—第二输出扩束凸透镜；

10—总路卡环；

11—四分之一波片；

12—第一输出通道；

13—第二输出通道；

14—扩束镜腔体；

L1—第一输出端口输出激光，L2—第二输出端口输出激光。

图2演示了第二输出端口同时输出线偏振光（A）和圆偏振光（B）的情况。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步详细描述。

一、总体

两束线偏振激光通过保偏光纤（1a，1b）输送到扩束镜的两个光纤接口（2a，2b），通过旋转二分之一波片（6a，6b）可以分别对两束光的偏振方向进行调节，消偏振的分束镜用于合束，其不改变入射光的偏振，这样再经过望远镜系统的扩束，就得到了偏振方向不同的两种线偏振光输出；然后再经过四分之一波片11，就可以得到更为丰富的偏振组合，如线偏振与圆偏振同时输出等。

如图1，本实用新型包括第一保偏光纤1a、第二保偏光纤1b、第一光纤接口2a、第二光纤接口2b、第一多维调整架3a、第二多维调整架3b、第一准直透镜4a、第二准直透镜4b、第一旋转卡环5a、第二旋转卡环5b、第一二分之一波片6a、第二二分之一波片6b、消偏振的分束镜7、第一输出扩束凹透镜8-1、第二输出扩束凹透镜8-2、第一输出扩束凸透镜9-1、第二输出扩束凸透镜9-2、总路卡环10、四分之一波片11、第一输出端口12、第二输出端口13和扩束镜腔体14；

其位置和连接关系是：

第一路和第二路的光，经保偏光纤（1a，1b）与扩束镜的光纤接口连接；

两路的多维调整架（3a，3b）用来调节光束的位置。

激光经准直透镜（4a，4b）准直后通过二分之一波片，旋转卡环（5a，5b）既可以固定波片（6a，6b），又可以对波片（6a，6b）进行旋转，从而改变出射光的偏振方向；

两束激光通过消偏振的分束镜进行合束，并经由望远镜系统扩束后输出。

由第一输出通道12输出的光为两种线偏振光，而由第二输出通道13输出的光因为经过了四分之一波片11，通过对总路卡环10的旋转，可以得到更为丰富的偏振组态。

二、功能部件

下面所述的功能部件均为常用标准件。

1、单模保偏光纤1a和1b：

单模保偏光纤1a和1b是一种传输线偏振激光的光纤。

2、光纤接口2a和2b：

    光纤接口2a和2b是将光纤与扩束镜连接的装置。

3、多维调整架3a和3b：

    多维调整架3a和3b是一种可对光纤出射光进行空间多维度调节的装置，可以对光束的平行度、上下、左右、俯仰进行精细调节。

4、准直透镜4a和4b：

    准直透镜4a和4b是一种凸透镜，将光纤出射口放在透镜焦点上，可以得到平行光输出。

5、旋转卡环5a，5b和10：

    旋转卡环5a，5b和10是一种固定波片并可以旋转的装置，通过对旋转卡环的旋转，可以得到需要的偏振。

6、二分之一波片6a和6b：

    二分之一波片6a和6b是一种可对线偏振光的偏振方向进行调节的器件。

7、消偏振的分束镜 7：

    消偏振的分束镜 7是一种对光进行合束的器件，此器件按1：1的比例输出透射光和反射光，并保持偏振与输入光的一致。

8、扩束凹透镜8-1和8-2：

    扩束凹透镜8-1和8-2是一种可将光的发散角进一步增大的器件，被用来对平行光进行发散。

9、扩束凸透镜9-1和9-2：

扩束凸透镜9-1和9-2是一种将平行光聚焦的器件，被用来将发散的光重新变平行。

10、四分之一波片11：

    四分之一波片11是一种可将线偏振光转化为圆偏振光的器件。

三、工作原理

下面详细阐述本实用新型的工作原理。

本实用新型的工作原理是基于消偏振的分束镜可对任意不同方向线偏振激光束进行合束。

如图1所示，由保偏光纤（1a,1b）接入的两束光，都是线偏振光。在经过各自的准直透镜（4a,4b）后，两束光都变成了平行光。准直透镜的焦距为17.1mm，得到的平行光光斑直径为3mm。

利用两路上的多维调整架（3a,3b），我们可以对两平行光的上下左右以及俯仰进行调节，使得两束光在空间上完全重合。

由于两束激光在合束前都分别经过一个二分之一波片(6a,6b)，因此通过旋转卡环（5a,5b），我们可以对两束光的偏振方向进行任意调节。

消偏振的分束镜7可以按1：1的比例输出透射光和反射光，并保持偏振与输入光的一致，因此两束光在合束之后，其偏振状态与合束前是相同的。这里之所以用分束器，而不用偏振分束器，就是因为偏振分束器只能输出两种特定偏振状态，而无法进行任意偏振的输出。

为了达到进一步扩束的目的，系统中在两个输出端口都增加了一个望远镜系统，其由一个凹透镜8-1和一个凸透镜9-1组成，扩束的倍数由两者的焦距决定。如凹透镜8-1的焦距为-f1(f1为正数),凸透镜9-1的焦距为f2，若要得到扩束效果，那么必须f2＞f1,扩束倍数为f2/f1。实际应用中，我们选用凹透镜的焦距为-50mm，凸透镜的焦距为150mm，这样扩束倍数为3，最终从输出口输出的光束直径为9mm左右。

第一输出端口12输出的光L1不经过任何偏振调节，是由不同偏振方向的两束光合成的，这可被用在某些相关实验中，例如研究两束线偏振光之间的偏振方向对于实验的影响等。

第二输出端口13输出的光L2经过了一个四分之一波片11，由于线偏振光的偏振方向与四分之一波片光轴方向的夹角会影响输出光的偏振状态，因此旋转四分之一波片时，可以得到丰富的偏振组态。例如，当两束线偏振光之间的偏振夹角为45°时，若其中一束光的偏振方向与四分之一波片的光轴方向平行或垂直，那么即可在输出端得到一束线偏振光和一束圆偏振光；当两束线偏振光之间的夹角为90°时，若其中一束光的偏振方向与四分之一波片的光轴方向为45°，那么即可在输出端得到两束偏振相反的圆偏振光；当然，此系统亦可输出椭圆偏振光。

若将两个输出端口结合使用，那么该扩束镜系统最多可以同时输出四种不同偏振的光。

图2演示了第二输出端口同时输出线偏振光A和圆偏振光B的情况。图中横轴为检偏器的偏转角度，纵轴为通过检偏器的光功率。对于线偏振光而言，检偏器角度的变化会使得光强有着明显的极强极弱变化，且消光比很高；而对于圆偏振光，则基本无变化。对于实际情况而言，光的偏振不可能做到非常纯净，但从图2中可以看出出射端口的两束光已经是比较好的线偏振与圆偏振了，满足实验需求。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统，包括一端与第一光纤接口（2a）连接的第一保偏光纤（1a），其特征在于，还包括一端与第二光纤接口（2b）连接的第二保偏光纤（1b），第一保偏光纤（1a）出射的第一线偏振光依次经过第一准直透镜（4a）和第一二分之一波片（6a）后得到第一线偏振调整光，第一二分之一波片（6a）设置在第一旋转卡环（5a）上，第二保偏光纤（1a）出射的第二线偏振光依次经过第二准直透镜（4b）和第二二分之一波片（6b）得到第二线偏振调整光，第二二分之一波片（6b）设置在第二旋转卡环（5b）上，第一线偏振调整光经过消偏振的分束镜（7）反射后的偏振光与第二线偏振调整光经过消偏振的分束镜（7）透射后的偏振光合束为第一输出偏振光，第一输出偏振光依次通过第一输出扩束凹透镜（8-1）和第一输出扩束凸透镜（9-1）后输出，第一线偏振调整光经过消偏振的分束镜（7）透射后的偏振光与第二线偏振调整光经过消偏振的分束镜（7）反射后的偏振光合束为第二输出偏振光，第二偏振光依次经过第二输出扩束凹透镜（8-2）、第二输出扩束凸透镜（9-2）和四分之一波片（11）后输出。

2.可同时输出多种不同偏振态激光束的扩束镜系统，其特征在于，还包括第一多维调整架（3a）和第二多维调整架（3b），第一光纤接口（2a）设置在第一多维调整架（3a）上，第二光纤接口（2b）设置在第二多维调整架（3b）上。