CN220568986U - 一种实现量子操作的装置 - Google Patents

Abstract

本文公开一种实现量子操作的装置，包括：真空腔体包含真空视窗、真空腔体内设置有第一光学元件、真空腔体外设置第二光学元件，第一光学元件和第二光学元件组成执行量子操作的光学系统；一个以上第一光学元件和/或一个以上第二光学元件与真空视窗固定连接；第一光学元件中包括光学系统中与粒子距离最近的第一透镜。本实用新型实施例将第一透镜在内的第一光学元件设置在真空腔体内，缩小了执行量子操作的工作距离，提高了系统的数值孔径；真空腔体之外设置第二光学元件，避免了光学元件在真空环境下不兼容；将光学元件与真空视窗固定连接形成一体化系统，消除了光学系统和真空腔体之间的相对振动，提升了量子操控的稳定度。

Description

一种实现量子操作的装置

技术领域

本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种实现量子操作的装置。

背景技术

在离子、原子量子计算、量子精密测量、以及一些相关的物理实验中，其实验的对象和量子信息载体为离子、原子和分子等粒子。为了俘获对应的粒子并且精确地对实验对象粒子进行操控，通常需要构造出一个超高真空的环境用于囚禁和放置这些粒子。目前，通用的实现超高真空的方案是利用高真空兼容的材料搭建出一个密封腔体，然后利用分子泵、离子泵等抽真空的泵抽出密封腔体内的气体，从而在密封腔体内构造出一个超高真空的环境。通常实现离子、原子量子计算至少需要压强小于1×10^-8帕(Pa)，进而避免其他的气体分子对于原子、离子的撞击导致其丢失和量子态破坏。

在离子、原子和分子等相关的实验中，都需要利用激光照射在对应粒子上激发粒子的能级跃迁，进而实现粒子的冷却、量子态制备、量子态操控和量子态探测等操作。因此，用于囚禁粒子的真空系统需要带有可以允许激光穿过的光学通道，通常被人们称之为真空视窗。参见图1，真空视窗通常由金属的真空视窗外壳1-1、耐高压视窗玻璃1-2和视窗固定装置1-3共同组成，真空视窗的中间部分是一个可以通过激光的玻璃，玻璃镶嵌在一个真空视窗外壳中，真空视窗外壳1-1通过螺丝和真空腔体的腔体金属外壳1-4相连接，从而形成一个密闭的真空空间；通光玻璃需要耐高压材料制成，以承受内外的高压差，同时会镀上相关激光波长的增透膜，以增加激光的透过率。

在图1所示的安装构型下，激光相关的调节仪器都会放置在真空腔体之外，统称为外置光学系统1-5；激光器出光后会通过各类光学元件和电光调制器件对激光进行调制，然后穿过真空视窗射入真空系统照射到粒子上，从而激发粒子和光的相互作用，对粒子进行操控。然而，部分实验中对激光的光斑大小、束腰半径、瑞利长度、光功率密度都有着极为苛刻的要求，因此有时候聚焦光束的整形会受到真空腔体尺寸的限制。例如在离子、原子量子计算的实验中，离子和原子会以若干微米为间距排列成一维链、二维(2D)或者三维(3D)的晶格，此时量子态操控的独立寻址激光需要聚焦到单独的离子或原子，但是不要又不要求激发旁边间隔几个微米的其它离子。那么此时对激光产生了如下要求：束腰半径需要极小达到接近1微米的级别，从而不产生串扰影响；聚焦的数值孔径(NA)需要很大，通常至少需要大于0.15；同时需要极高的功率密度来达到快速的量子逻辑门操作。满足如上条件的物镜聚焦系统的工作距离通常十分短，但是真空系统的尺寸限制了物镜的工作距离需要严格大于真空腔体的尺寸，因此产生了矛盾。此时，通过优化光学系统设计在保证工作距离的前提上提升数值孔径的难度很大，且数值孔径的提升具有上限，所以无法满足实验需求。在离子、原子相关实验中的探测荧光收集的物镜成像系统也需要极高的NA，然而根据光学原理NA越高，物镜的工作距离也就越长(实际物镜距离真空中离子原子位置间的距离)，因此荧光收集物镜的NA也会收到真空腔体尺寸的限制。除了光学系统本身的指标性能之外，在部分真空系统中还会存在出现的振动的问题。例如在带有冷却系统的离子阱系统中(下面统称为冷阱)，制冷装置会产生振动并且将振动传导到腔体上，此时外部的光学系统和真空系统以及真空内的离子是有相对振动的。

综上，如何避免物镜的NA受真空腔体尺寸的限制，以及消除光学系统和真空腔体之间的相对振动，提高光学系统相对于离子、原子之间的稳定度，成为一个有待解决的问题。

实用新型内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本实用新型实施例提供一种实现量子操作的装置，能够缩小执行量子操作的工作距离，提高系统的数值孔径，消除了光学系统和真空腔体之间的相对振动，提升量子操控的稳定度。

本实用新型实施例提供了一种实现量子操作的装置，包括：真空腔体2包含真空视窗2-1、真空腔体2内设置有第一预设数量个第一光学元件2-2、真空腔体2外设置有第二预设数量个第二光学元件2-3，第一预设数量个第一光学元件2-2和第二预设数量个第二光学元件2-3组成用于执行量子操作的光学系统；一个以上第一光学元件2-2和/或一个以上第二光学元件2-3与真空视窗2-1固定连接；

其中，所述第一预设数量个第一光学元件2-2中至少包括光学系统中与粒子距离最近的第一透镜2-2-1。

本申请包括：真空腔体包含真空视窗、真空腔体内设置有第一预设数量个第一光学元件、真空腔体外设置有第二预设数量个第二光学元件，第一预设数量个第一光学元件和第二预设数量个第二光学元件组成用于执行量子操作的光学系统；一个以上第一光学元件和/或一个以上第二光学元件与真空视窗固定连接；其中，所述第一预设数量个第一光学元件中至少包括光学系统中与粒子距离最近的第一透镜。本实用新型实施例将第一透镜在内的第一光学元件设置在真空腔体内，缩小了执行量子操作的工作距离，提高了系统的数值孔径；将第二光学元件设置在真空腔体之外，避免了光学元件在真空环境下不兼容；将光学元件与真空视窗固定连接形成一体化系统，消除了光学系统和真空腔体之间的相对振动，保证了光学系统的轴向或者光的方向以真空视窗的中垂线方向为基准，可以按照预设方向保持完全一致，避免独立元件装配导致的偏轴问题，提升了量子操控的稳定度。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1为相关技术中实现量子操作的装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例实现量子操作的装置的结构框图；

图3为本实用新型应用示例光学系统的结构示意图；

图4为本实用新型应用示例一光学系统的安装结构示意图；

图5为本实用新型应用示例另一光学系统的安装结构示意图；

图6为本实用新型应用示例实现荧光收集和成像的装置的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图2为本实用新型实施例实现量子操作的装置的结构框图，如图2所示，包括：真空腔体2包含真空视窗2-1、真空腔体2内设置有第一预设数量个第一光学元件2-2、真空腔体2外设置有第二预设数量个第二光学元件2-3，第一预设数量个第一光学元件2-2和第二预设数量个第二光学元件2-3组成用于执行量子操作的光学系统；一个以上第一光学元件2-2和/或一个以上第二光学元件2-3与真空视窗2-1固定连接；

其中，第一预设数量个第一光学元件2-2中至少包括光学系统中与粒子距离最近的第一透镜2-2-1。

本实用新型实施例将包括第一透镜在内的第一光学元件2-2设置在真空腔体2内，缩小了执行量子操作的工作距离，提高了系统的数值孔径等性能指标；将无法采用真空兼容材料的光学元件设置在真空腔体2之外，避免了光学元件在真空环境下不兼容；将一个以上第一光学元件2-2和/或一个以上第二光学元件2-3通过装配支架和固定装置与真空视窗2-1连接形成一体化的光学系统，消除了光学系统和真空腔体2之间的相对振动，保证了光学系统的轴向或者光的方向以真空视窗的中垂线方向为基准，可以按照预设方向(预设夹角)保持完全一致，避免独立元件装配导致的偏轴问题；提高了光学系统相对于离子、原子0之间的稳定度，提升了量子操控的稳定度。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例一个以上第一光学元件2-2通过装配支架和固定装置与真空视窗2-1固定连接。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例一个以上第二光学元件2-3通过装配支架和固定装置与真空视窗2-1固定连接。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例第二预设数量个第二光学元件2-3至少包含：光纤耦合头2-4。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例除第一透镜2-2-1和光纤耦合头2-4，光学系统还包括以下一项或任意组合的光学元件：

一个以上第二透镜2-2-2、波片2-5(图中未示出)、偏振元件2-6(图中未示出)、光纤2-7、空间光调制器2-8、非球面镜2-9(图中未示出)、光探测器2-10(图中未示出)和声光调制器2-11(图中未示出)；

其中，第二透镜2-2-2包括：光学系统中与粒子距离大于第一透镜2-2-1的透镜。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例真空视窗2-1包括金属的真空视窗外壳2-1-1，真空视窗外壳2-1-1通过固定装置固定在真空腔体2上。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例真空视窗2-1为耐高压视窗。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学系统中，一个以上第一光学元件2-2与真空视窗2-1连接时，除与真空视窗2-1固定连接的一个以上第一光学元件之外的其他第一光学元件，与真空腔体2内除真空视窗2-1以外的其他元件连接。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学系统中，一个以上第二光学元件2-3与真空视窗2-1连接时，除与真空视窗2-1固定连接的一个以上第二光学元件之外的其他第二光学元件，与真空腔体除真空视窗以外的其他元件连接。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例装配支架包括光学元件的安装架，安装架被安置在与真空视窗的窗口固定连接的安装底座3之上，在安装底座3上有固定式的孔槽或可移动的滑槽实现安装架的定位和固定。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学系统中的光学元件为位置固定的第一光学元件2-2时，每一个位置固定的第一光学元件2-2分别被固定在光学元件的安装架，通过安装底座3实现与真空视窗2-1的固定连接；光学系统中的光学元件为位置固定的第二光学元件2-3时，每一个位置固定的第二光学元件2-3分别被固定在光学元件的安装架，通过安装底座3实现与真空视窗2-1的固定连接；光学系统中的光学元件为位置固定的第一光学元件2-2和第二光学元件2-3时，每一个位置固定的第一光学元件2-2和第二光学元件2-3分别被固定在光学元件的安装架，通过安装底座3实现与真空视窗2-1的固定连接。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例可以通过改变空间光调制器2-8的驱动信号来改变激光的空间位置和光束形状；在一种示例性实例中，如果要实现激光的功率(光强)、频率、相位、边带的可控调节，第二光学元件2-3还可以包括电光调制器(AOM)和/或声光调制器(EOM)。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学系统中的光学元件为用于实现激光位置调节的第一光学元件2-2时，每一个用于实现激光位置调节的第一光学元件2-2分别被固定在位移调节装置上，通过位移调节装置实现激光位置的调节；光学系统中的光学元件为用于实现激光位置调节的第二光学元件2-3时，每一个用于实现激光位置调节的第二光学元件2-3分别被固定在位移调节装置上，通过位移调节装置实现激光位置的调节；光学系统中的光学元件为用于实现激光位置调节的第一光学元件2-2和第二光学元件2-3时，每一个用于实现激光位置调节的第一光学元件2-2和第二光学元件2-3分别被固定在位移调节装置上，通过位移调节装置实现激光位置的调节。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例位移调节装置和安装座、腔体金属外壳固定连接；在一种示例性实例中，本实用新型实施例用于实现激光位置调节的光学元件可以包括：光纤耦合头2-4。在一种示例性实例中，本实用新型实施例如果要实现激光的位置调节，可以通过位移调节装置控制光学元件的空间位置变化，这个光学元件可以是从源头的光纤耦合头2-4的位置移动，也可以是中间的部分反射镜和/或透镜之类的元件，也可以让激光产生位置移动。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例空间光调制器2-8可以实现激光的空间位置和光斑大小的调控；可调波片2-5实现激光偏振态的任意调节；多个预设的透镜共同组合成物镜聚焦系统，实现对于激光的聚焦。其中，透镜元件可以放置在内置光学系统，即放置在真空系统内部，可以极大地缩短了距离原子和离子的距离，缩小了物镜的工作距离，从而光学设计上实现更大的NA，实现独立寻址激光对于激光聚焦的高NA要求。

本实用新型实施例可以应用于寻址激光和全局操控激光的搭建之外，也可以用于荧光收集和探测光学系统的搭建。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例在真空视窗2-1的上下部连接两个安装底座3(其中，上部连接的安装底座为上安装底座3-1)用于安装和夹持光学元件，也可以安装包围式或者笼式的安装座用于固定光学元件。

以下通过应用示例对本实用新型实施例进行简要说明，应用示例仅用于对本发明实施例进行简要说明，并不限定本申请的保护范围。

应用示例

本实用新型实施例实现量子操作的装置，包括集成光路的一体化真空视窗2-1,整个装置包括真空视窗2-1的金属外壳、耐高压的真空视窗2-1、由真空腔体1内设置的第一光学元件2-2和真空腔体2外设置的第二光学元件2-3，组成执行量子操作的光学系统集成光路一体化的真空视窗实现了对于真空视窗和光学系统两个功能模块的集成化。第一光学元件2-2和第二光学元件2-3合并在一起，构成一个完整的物镜系统，在不改变真空腔体2尺寸的前提下实现高NA的物镜聚焦系统、荧光收集系统和离子、原子0成像系统。

本实用新型实施例中光学系统由多个光学元件组成，包括但不限于：透镜、波片2-5、光纤耦合头2-4、偏振片(图中未示出)和空间光调制器2-8等。在一种示例性实例中，包括第一光学元件2-1和第二光学元件2-2在内的每一个光学元件被安装在对应的安装架中，同时安装架被安置在与窗口固连的安装底座3之上，在安装底座3上有固定式的孔槽或可移动的滑槽实现安装架的定位和固定。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例激光的空间位置和光斑形状的调制，可以通过空间光调制器2-8和位移调节装置实现。在一种示例性实例中，本实用新型实施例不需要移动的光学元件被固定安装在安装架和安装底座3下实现固定连接，例如透镜元件、波片2-5、空间光调制器2-8等。在一种示例性实例中，本发明实施例通过改变空间光调制器2-8的驱动信号来改变激光的空间位置和光束形状。在一种示例性实例中，本实用新型实施例还可以将部分元件，例如光纤耦合头2-4固定在位移调节装置上，位移调节装置和安装座、腔体金属外壳固定连接，通过调节位移调节装置来实现激光位置的调节。

依旧参见图2，本应用示例集成光路一体化真空视窗包括真空视窗2-1的外壳、耐高压视窗2-1、由第二光学元件2-3组成的外置光学系统4、由第一光学元件2-2组成的内置光学系统5；内置光学系统5和外置光学系统4组成完整的光学系统；本发明实施例真空视窗通常使用时候，视窗的内部是超高真空，外部可以是大气、液体或者其它的气体环境，其视窗材料需要承受大气压差，因此，真空视窗为耐高压视窗是一个可以通光的视窗，实现激光从外部射入内部的通道，需要可以承受高压差。本实用新型实施例真空视窗本身可以是一个单纯的平面玻璃，仅仅起到通光的作用，也可以是带有一定曲面弧度的透镜类型元件。真空视窗外壳是可以安装在真空腔体外壳2-12上的真空组件，其中间安装上述耐高压视窗。在一种实例中，真空视窗外壳的四周打有通孔，并且与真空腔体外壳上的螺纹孔匹配，可以通过螺丝将两者精密的连接起来，从而构成了一个密封的真空腔体；在一种示例性实例中，本应用示例还可以通过加上一个由连接处的刀口和铜垫圈，以保证真空的密封性。在一种示例性实例中，本实用新型实施例内置光学系统和外置光学系统均可以与真空视窗通过底座和安装座相连接在一起，可以根据实验要求安装各类光学元件，例如透镜、波片2-5、光纤耦合头2-4、空间光调制器2-8等。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中，参见图3，内置光学系统5的安装底座5-1和外置光学系统4的安装底座4-1与真空视窗2-1的金属件相连接，在安装底座3上对应位置有固定孔或者滑动固定槽，用于固定和安装光学元件的安装座。在本实用新型实施例中，激光通过光纤2-7传输到光纤耦合头2-4输出，经过可调节的波片2-5或者偏振片实现激光偏振态的任意调节，空间光调制器2-8实现对于激光的空间位置以及光斑大小、形状的可调改变，然后通过若干个预设的透镜进入真空腔体之中。在激光进入真空腔体后，激光可以通过内置光学系统上面的若干个预设好的透镜，最后照射到目标的离子或者原子上。本实用新型实施例中的光学系统可以实现功能包括：空间光调制器2-8可以实现激光的空间位置和光斑大小的调控；可调波片2-5实现激光偏振态的任意调节；多个预设的透镜共同组合成物镜聚焦系统，实现对于激光的聚焦；其中，由于透镜元件可以放置在内置光学系统，即放置在真空系统内部，从而缩短了距离原子和离子的距离，也就缩小了物镜的工作距离，从而光学设计上实现更大的NA，实现独立寻址激光对于激光聚焦的高NA要求。在一种示例性实例中，本实用新型实施例物镜的工作距离不受真空系统尺寸的影响，实现了任意工作距离的调节，极大的提高了NA，同时外置光学系统提供了足够的自由度和空间满足激光任意调节的需求，从而实现了离子、原子0量子计算中的独立寻址激光。对于全局操控激光这一类对聚焦没有极高要求的激光也可以使用同样的方案进行光学搭建，独立寻址激光的要求会远高于全局激光的要求。对于激光的空间位置调节，不仅可以利用空间调制器进行改变，可以将光纤耦合头2-4或者某些透镜放置在位移调节装置上，通过这些光学元件的位置调节来实现的激光的空间位置变化。在一种示例性实例中，本实用新型应用实例也可以将整个外置光学系统或整个内置光学系统放置在一个位移调节装置上，实现上述功能。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的光学元件的固定不仅可以固定在底座上，也可以将底座扩展成一个四周包围的笼式系统、或者上下两个底座，除此以外其他的底座构成方式都是可以允许的；参见图4，本实用新型实施例可以在真空视窗的上下部连接两个安装底座3用于安装和夹持光学元件；参见图5，本实用新型实施例光学系统中的光学元件相对于真空腔体的位置分布；在一种示例性实例中，本实用新型实施例也可以安装包围式或者笼式的安装座用于固定光学元件，此时光学元件被装配在各自的安装座内，安装座被放置和固定在底座之中；在一种示例性实例中，本实用新型实施例包括但不限于图4和图5所示的固定方式。在一种示例性实例中，本实用新型实施例安装底座3上会有螺孔、长条孔槽、或者滑动孔槽等装置，实现光学元件安装座的固定以及定位。光学元件安装座可以在一定范围内移动，当完成调试和定位之后可以通过螺丝和螺母将安装座固定在长条孔槽的某个地方或者利用滑动孔槽实现固定。当然，上下安装底座3除了与真空视窗的金属部分固定连接之外(可以一体化铸造)，也可以通过其它固定方式与真空腔体连接在一起。但是光学系统的安装底座3需要和真空腔体固定连接，以确保光学系统与真空内部系统的相对振动尽可能的小，进而减小激光相对于目标原子或离子的相对振动。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例除了可以应用于寻址激光和全局操控激光的搭建之外，也可以用于荧光收集和探测光学系统的搭建。参见图6，当实验中需要对真空里面的离子和原子进行探测的时候，实际上需要利用一套物镜收集系统收集离子、原子0发出的荧光，但是由于自发辐射荧光是向全方向的，且收集荧光的物镜NA有限，所以普通的收集系统收集荧光效率很低，无法实现高效快速的探测，其根本原因是物镜系统必须放置在真空腔体之外，其工作距离过长。在一种示例性实例中，本发明实施例可以将内置光学系统配有预设好的透镜，其透镜与原子、离子的距离尽可能的缩短，内置光学系统和外置光学系统的透镜共同组成物镜系统，其每个元件的位置预设且固定的。此时，可以提高整套物镜系统的NA，从而提高荧光收集效率，实现一个快速而高效的探测。在一种示例性实例中，本发明实施例第二光学元件还可以包括光学相机、电子倍增成像装置(EM-CCD)，光子探测器(PMT)；通过光学相机、电子倍增成像装置(EM-CCD)，光子探测器(PMT)，光子阵列探测器等进行离子的高NA荧光成像。本发明实施例通过第一透镜2-2-1和第二透镜2-2-2等组成一个收集荧光的物镜系统5，通过上述探测器探测，然后成像。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种实现量子操作的装置，其特征在于，包括：真空腔体(2)包含真空视窗(2-1)、真空腔体(2)内设置有第一预设数量个第一光学元件(2-2)、真空腔体(2)外设置有第二预设数量个第二光学元件(2-3)，第一预设数量个第一光学元件(2-2)和第二预设数量个第二光学元件(2-3)组成用于执行量子操作的光学系统；一个以上第一光学元件(2-2)和/或一个以上第二光学元件(2-3)与真空视窗(2-1)固定连接；

其中，所述第一预设数量个第一光学元件(2-2)中至少包括光学系统中与粒子距离最近的第一透镜(2-2-1)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个以上第一光学元件(2-2)和/或一个以上第二光学元件(2-3)通过装配支架和固定装置与所述真空视窗(2-1)固定连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二预设数量个第二光学元件(2-3)至少包含：光纤耦合头。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，除所述第一透镜和所述光纤耦合头(2-4)，所述光学系统还包括以下一项或任意组合的光学元件：

一个以上第二透镜(2-2-2)、波片(2-5)、偏振元件(2-6)、光纤(2-7)、空间光调制器(2-8)、非球面镜(2-9)、光探测器(2-10)和声光调制器(2-11)；

其中，所述第二透镜(2-2-2)包括：所述光学系统中与粒子距离大于所述第一透镜(2-2-1)的透镜。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空视窗(2-1)包括金属的真空视窗外壳(2-1-1)，所述真空视窗外壳(2-1-1)通过固定装置固定在所述真空腔体(2)上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空视窗(2-1)为耐高压视窗。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述光学系统中，所述一个以上第一光学元件(2-2)与所述真空视窗(2-1)固定连接时，所述光学系统中除与所述真空视窗(2-1)固定连接的所述一个以上第一光学元件之外的其他第一光学元件，与所述真空腔体(2)内除真空视窗(2-1)以外的其他元件连接。

8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述光学系统中，所述一个以上第二光学元件(2-3)与所述真空视窗(2-1)固定连接时，所述光学系统中除与所述真空视窗(2-1)固定连接的一个以上第二光学元件之外的其他第二光学元件，与真空腔体(2)除真空视窗(2-1)以外的其他元件连接。

9.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述光学系统中的光学元件为位置固定的第一光学元件(2-2)时，每一个所述位置固定的第一光学元件(2-2)分别被固定在光学元件的安装架，通过安装底座(3)实现与所述真空视窗(2-1)的固定连接；所述光学系统中的光学元件为位置固定的第二光学元件(2-3)时，每一个所述位置固定的第二光学元件(2-3)分别被固定在光学元件的安装架，通过安装底座(3)实现与所述真空视窗(2-1)的固定连接；所述光学系统中的光学元件为位置固定的第一光学元件(2-2)和第二光学元件(2-3)时，每一个所述位置固定的第一光学元件(2-2)和第二光学元件(2-3)分别被固定在光学元件的安装架，通过安装底座(3)实现与所述真空视窗(2-1)的固定连接。

10.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述光学系统中的光学元件为用于实现激光位置调节的第一光学元件(2-2)时，每一个所述用于实现激光位置调节的第一光学元件(2-2)分别被固定在位移调节装置上，通过位移调节装置实现激光位置的调节；所述光学系统中的光学元件为用于实现激光位置调节的第二光学元件(2-3)时，每一个所述用于实现激光位置调节的第二光学元件(2-3)分别被固定在位移调节装置上，通过位移调节装置实现激光位置的调节；所述光学系统中的光学元件为用于实现激光位置调节的第一光学元件(2-2)和第二光学元件(2-3)时，每一个所述用于实现激光位置调节的第一光学元件(2-2)和第二光学元件(2-3)分别被固定在位移调节装置上，通过位移调节装置实现激光位置的调节。