KR20220036471A

KR20220036471A - Method and apparatus for transporting cold atoms using an optically compensated zoom lens

Info

Publication number: KR20220036471A
Application number: KR1020200118709A
Authority: KR
Inventors: 이재훈; 문종철
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-23
Also published as: KR102385446B1

Abstract

The present invention relates to a method and a device for transporting cold atoms using an optically compensated zoom lens. An optically compensated zoom lens for transporting atoms comprises: a first lens group including two lenses (L2, L4) having negative focal distances; and a second lens group including three lenses (L1, L3, L5) having positive focal distances, wherein the lenses of the first lens group and the lenses of the second lens group are arranged alternately in an optical axis and arranged in the order of L1, L2, L3, L4 and L5. The two lenses (L2, L4) belonging to the first lens group can be moved in the optical axis to change the effective focal distance and cold atoms can be transported. Therefore, the transportation of atoms necessary for various cold atom experiments can be controlled and performed easily.

Description

Method and apparatus for transporting cooling atoms using an optical compensating zoom lens

다양한 실시 예는 냉각 원자 수송 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 보정 줌 렌즈를 이용한 냉각 원자 수송 방법 및 장치에 관한 것이다. Various embodiments relate to a method and apparatus for transporting cooling atoms, and more particularly, to a method and apparatus for transporting cooling atoms using an optical correction zoom lens.

양자 상태의 정확한 제어 및 측정과 함께 원자 운동의 효율적인 냉각이 필요한 저온 중성 원자를 사용하는 실험은 수십 년 동안 광범위하게 개발되고 지속적으로 개선되어 왔다. 현재 이러한 실험을 위한 최첨단 장치는 고해상도 현미경, 광학 공동(optical cavities), 흑체 방사선 차폐 장치(blackbody radiation shields), 고장 자기 코일(high field magnetic coils)과 같은 요소를 밀집 배치한 상당히 복잡한 광학 및 전자 시스템이다. 최근에 일부 주목할 만한 하이브리드 양자 실험은 이전에 미개척 영역에서 양자 시스템을 조사하기 위해 포획 이온 또는 나노 광자 장치에 결합되는 저온 중성 원자를 필요로 한다. 저온 원자 생산에는 근본적으로 초고 진공(ultra-high vacuum, UHV) 환경이 필요하다는 점을 염두에 둔다면, 이러한 실험 요소는 단일 진공 챔버에서 함께 쓸 수 없는 경우가 많다.Experiments using low-temperature neutral atoms, which require efficient cooling of atomic motion, along with precise control and measurement of quantum states, have been extensively developed and continuously improved over several decades. Currently, state-of-the-art equipment for these experiments is a fairly complex optical and electronic system with densely packed elements such as high-resolution microscopes, optical cavities, blackbody radiation shields, and high field magnetic coils. am. Some recent notable hybrid quantum experiments require low-temperature neutral atoms to bind to trap ions or nanophotonic devices to probe quantum systems in previously unexplored areas. Bearing in mind that the production of low-temperature atoms fundamentally requires an ultra-high vacuum (UHV) environment, these experimental elements are often incompatible with one another in a single vacuum chamber.

이러한 실험적 제한을 극복하는 가장 두드러진 방법은 저온 원자 샘플을 준비된 위치에서 더 나은 접근성과 가급적이면 환경으로부터 더욱 격리된 인접한 위치로 운반하는 것이다. 광학 격자 컨베이어 벨트(optical lattice conveyor belt), 횡 방향 동적 광학 핀셋(transversely dynamic optical tweezer), 속도 선택 냉각(velocity selective cooling), 자기 포획 전송(magnetic trap transport) 및 축 방향 이동 쌍극자 포획(axially moving optical dipole trap)과 같은 저온 원자를 운반하는 여러 방법이 개발되어 왔다. 처음 세 가지 기술은 일반적으로 기술적 비 현실성 또는 전달 비 효율성으로 인해 단일 UHV 챔버 내에서 짧은 거리의 원자 이동으로 그 쓰임새가 제한된다. 저온 원자를 별도의 UHV 챔버로 잘 제어하여 이동시키고자 하는 경우, 이동 자기 포획(moving magnetic trap) 또는 광학 쌍극자 포획(optical dipole trap, ODT)이 일반적으로 적용된다.The most striking way to overcome these experimental limitations is to transport the cold atomic sample from the prepared site to an adjacent site with better accessibility and preferably more isolated from the environment. Optical lattice conveyor belt, transversely dynamic optical tweezers, velocity selective cooling, magnetic trap transport and axially moving optical Several methods for transporting cold atoms, such as dipole traps, have been developed. The first three techniques are generally limited in their utility to the movement of atoms over short distances within a single UHV chamber due to technical impracticalities or delivery inefficiencies. When it is desired to control and move the cold atoms to a separate UHV chamber, a moving magnetic trap or an optical dipole trap (ODT) is generally applied.

원자 수송을 위한 자기 포획을 구현하기 위해서는 UHV 시스템 주변에 최대한 가깝게 설치된 단일 이동 자기 코일(single moving magnetic coil) 또는 자기 코일의 고정 어레이(stationary array)가 포함될 수 있다. 일반적으로 중력에 대항하여 원자를 유지하기 위해 높은 전류가 가해지기 때문에 코일은 물을 이용하여 냉각시킬 필요가 있다. 이러한 방해되는 실험 조건은 많은 실험에서 수송을 위해 자기 코일을 적용하는 것을 어렵게 만든다. 더욱이 높은 자기장으로 작업하는 것은 유도된 와전류와 주변 구성 요소의 점진적인 자화로 인해 다양한 정밀 측정 실험에 유해할 수 있다. 자기 포획과 달리, 광학 쌍극자 포획은 광학 쌍극자 힘을 통해 원자를 포획하고 있기 위해 집중된 레이저 빔을 사용한다. 실험적으로, 원자에 대한 광학적 접근은 레이저 냉각 설정에서 상대적으로 방대하게 존재하는 UHV 뷰포트 창(viewport window)을 통해 이루어질 수 있다. 광자 산란을 억제하고 원자 포획 수명을 늘리기 위해 굉장히 디튜닝된 파장(far-detuned wavelengths)의 고출력 레이저가 광학 쌍극자 포획에 통상적으로 사용된다. 상대적으로 광학 쌍극자 포획은 손상 임계 값이 높은 적절한 광학 부품을 사용하는 한 구현하기가 간단하다.In order to implement magnetic trapping for atomic transport, a single moving magnetic coil or a stationary array of magnetic coils installed as close as possible to the periphery of the UHV system may be included. In general, the coil needs to be cooled with water because high currents are applied to hold the atoms against gravity. These disturbing experimental conditions make it difficult to apply magnetic coils for transport in many experiments. Moreover, working with high magnetic fields can be detrimental to various precision measurement experiments due to the induced eddy currents and the gradual magnetization of surrounding components. Unlike magnetic trapping, optical dipole trapping uses a focused laser beam to trap atoms through optical dipole forces. Experimentally, optical access to atoms can be achieved through the UHV viewport window, which is relatively voluminous in a laser cooling setup. High-power lasers with far-detuned wavelengths are commonly used for optical dipole capture to suppress photon scattering and increase atomic capture lifetime. Relatively optical dipole trapping is straightforward to implement as long as appropriate optical components with high damage thresholds are used.

원자 수송을 위한 광학 쌍극자 포획 이동은 다양한 방식을 통해 이루어질 수 있다. 널리 사용되는 신뢰할 수 있는 방법 중의 하나는 컨져게이트(conjugate) 또는 어포컬 이미징(afocal imaging) 설정과 함께 공기 베어링(air-bearing) 단계에서 초점 렌즈(focusing lens)를 장착하는 것이다. 하지만, 이러한 설정에 사용되는 공기 베어링 단계는 상당히 비싼 한편, 입력 빔을 형성하고, 중간 초점을 만들면서 각 단계의 길이를 이동하고, 목표 원자 위치에 중간 초점을 이미지화하는 데 필요한 광학 경로는 일부 설정에 있어 엄청나게 길 수 있다. 최근에, 초점 조정이 가능한 폴리머 렌즈(focus-tunable polymer lenses)가 원자 수송을 위해 광학 쌍극자 포획을 대체하는 데 성공적으로 사용되었다. 이러한 시스템은 매우 빠른 응답 시간으로 매우 소형일 수 있지만 일반 유리 렌즈에 비해 조리개 크기가 매우 제한적이며 신중하게 모니터링해야하는 열 영향으로 인해 초점 거리를 보정해야 한다는 문제가 있다.Optical dipole trapping shifts for atom transport can be achieved through a variety of methods. One widely used and reliable method is to mount a focusing lens in an air-bearing stage with a conjugate or afocal imaging setup. However, while the air-bearing steps used in these setups are quite expensive, the optical path required to form the input beam, travel the length of each step while creating an intermediate focus, and image the intermediate focus to the target atomic location requires some setup. can be incredibly long. Recently, focus-tunable polymer lenses have been successfully used to replace optical dipole trapping for atom transport. Although these systems can be very compact with very fast response times, they have a very limited aperture size compared to regular glass lenses and have the problem of compensating for focal lengths due to thermal effects that must be carefully monitored.

본 발명의 다양한 실시 예는 종래의 광학 쌍극자 포획된 원자를 수송하는 데의 문제를 해소하기 위하여 광 보정 줌 렌즈를 이용하여 냉각 원자를 포획한 광학 쌍극자 포획을 수송하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.Various embodiments of the present invention provide an apparatus and method for transporting an optical dipole trap with a cooling atom by using a light compensating zoom lens in order to solve the problem of transporting the conventional optical dipole trapped atom.

본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in this document are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 냉각 원자 수송을 위한 광 보정 줌 렌즈는 두 개의 마이너스 초점거리를 가지는 렌즈(L2, L4)를 포함하는 제1 렌즈 그룹 및 세 개의 플러스 초점거리를 가지는 렌즈(L1, L3, L5)를 포함하는 제2 렌즈 그룹을 포함하고, 광축을 따라 상기 제1 렌즈 그룹의 렌즈와 상기 제2 렌즈 그룹의 렌즈가 번갈아가며 배치되어 L1, L2, L3, L4, L5의 순서로 배치되고, 상기 제1 렌즈 그룹에 속한 두 개의 렌즈(L2, L4)를 상기 광축을 따라 이동하여 유효 초점 거리를 변경하여 냉각 원자를 수송할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the optical correction zoom lens for transporting cooling atoms includes a first lens group including lenses L2 and L4 having two negative focal lengths and a lens L1 having three positive focal lengths. , L3, L5), wherein the lenses of the first lens group and the lenses of the second lens group are alternately arranged along the optical axis in the order of L1, L2, L3, L4, L5 The cooling atoms may be transported by changing the effective focal length by moving the two lenses L2 and L4 belonging to the first lens group along the optical axis.

본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 렌즈 그룹에 속하는 두 개의 렌즈(L2, L4) 사이의 렌즈 간격과 상기 제2 렌즈 그룹에 속하는 세 개의 렌즈(L1, L3, L5) 중 두 개의 연속하는 렌즈 사이의 렌즈 간격이 동일하도록 배치될 수 있으며, 일 실시 예에 따라 상기 렌즈 간격은 86.4mm일 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, a lens interval between two lenses L2 and L4 belonging to the first lens group and two consecutive lenses L1, L3, L5 belonging to the second lens group The distance between the lenses may be the same, and according to an embodiment, the distance between the lenses may be 86.4 mm.

본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 렌즈 그룹에 속하는 두 개의 렌즈(L2, L4)는 동일한 제1 초점 거리를 가지고, 상기 제2 렌즈 그룹에 속하는 세 개의 렌즈 중 두 개의 렌즈(L1, L5)는 동일한 제2 초점 거리를 가질 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the two lenses L2 and L4 belonging to the first lens group have the same first focal length, and two lenses L1 and L4 of the three lenses belonging to the second lens group L5) may have the same second focal length.

본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 초점 거리의 절대값은 상기 제2 초점 거리의 절대값보다 작고, 상기 제2 렌즈 그룹에 속하는 세 개의 렌즈 중 나머지 하나의 렌즈(L3)의 제3 초점 거리의 절대값은 상기 제1 초점 거리의 절대값과 동일할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 상기 제1 초점 거리는 -80mm이고, 상기 제2 초점 거리는 250mm이고, 상기 제3 초점 거리는 80mm일 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the absolute value of the first focal length is smaller than the absolute value of the second focal length, and the third lens L3 of the other one of the three lenses belonging to the second lens group is The absolute value of the focal length may be the same as the absolute value of the first focal length. According to an embodiment, the first focal length may be -80 mm, the second focal length may be 250 mm, and the third focal length may be 80 mm.

본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 광학 쌍극자 포획 위치를 정밀하게 조정하기 위해 시준된 가우시안 빔(collimated gaussian beam)이 광 보정 줌 렌즈로 입사될 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, a collimated gaussian beam may be incident to the optical correction zoom lens to precisely adjust the optical dipole capture position.

본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 냉각 원자 수송 시스템은 원자 가스를 포획한 MOT(magneto-optical trap)을 형성하는 원자 오븐, 상기 MOT를 압축하여 고밀도 냉각 원자 샘플을 형성하는 지만슬로워(zeeman slower), 레이저를 이용하여 상기 냉각 원자 샘플을 포획한 광학 쌍극자 포획을 생성하는 주챔버, 상기 주챔버에서 생성된 광학 쌍극자 포획을 과학 챔버로 수송시키는 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 광 보정 줌 렌즈 및 상기 수송된 과학 챔버를 유지하는 상기 과학 챔버를 포함할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the cooling atomic transport system includes an atomic oven that forms a magneto-optical trap (MOT) that traps atomic gas, and a zeeman slower that compresses the MOT to form a high-density cooled atomic sample. ), a main chamber for generating optical dipole traps in which a laser is used to capture the cooled atomic sample; It may include a science chamber holding a light-corrected zoom lens according to and the transported science chamber.

본 개시에서 제안하는 장치 및 방법은 광 보정 줌렌즈를 이용하여 냉각 원자를 수백 mm 정도의 거리로 이동시킬 수 있다. The apparatus and method proposed in the present disclosure can move a cooling atom to a distance of several hundred mm by using a light-correcting zoom lens.

본 개시에서 제안하는 장치 및 방법은 소형 폼 팩터, 지속적인 조정 및 정밀한 제어가 가능하여 다양한 냉각 원자 실험에 필요한 원자 수송을 쉽고 제어되게 수행할 수 있다. The apparatus and method proposed in the present disclosure have a small form factor, continuous adjustment, and precise control, so that atomic transport required for various cooling atomic experiments can be easily and controlled.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects obtainable in the present disclosure are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs from the description below. will be.

도 1은 본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 초기 반경이 10mm인 시준된 가우시안 빔이 광 보정 줌 렌즈(100)를 통과하여 진행할 때의 광축 거리(z)에 따른 1/e²가우시안 빔 반경(ω)을 도시한 도면이다.
도 3은 작동 거리에 따른 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)을 도시한 도면이다.
도 4는 작동 거리에 따른 축외 이동 오차(off-axis shift error) 및 회전 오차(rotation error)를 도시한 도면이다.
도 5는 주어진 렌즈 간격(t)에 대해 줌이 커버할 수 있는 작동 거리(z_WD)의 범위를 도시한 도면이다.
도 6은 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)의 평균값을 렌즈 간격(t)의 함수로 도시한 도면이다.
도 7은 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)의 표준 편차를 렌즈 간격(t)의 함수로 도시한 도면이다.
도 8은 렌즈 간격(t)이 86.4mm이고 작동 거리(z_WD)가 600mm 일 때 촬영한 빔 이미지의 예를 도시한 도면이다.
도 9는 ¹S₀ 기저 상태에서 ¹⁷⁴Yb 원자에 대해 측정된 광학 쌍극자 포획의 포텐셜 프로파일(potential profile)을 도시한 도면이다.
도 10은 매개변수(x)가 24.3mm에서 50.3mm까지의 줌 위치 범위에 대해 작동 거리(z_WD)로 표시된 측정된 초점 위치를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10과 동일한 줌 위치에서 측정된 빔 웨이스트 반경(ω₀)을 도시한 도면이다.
도 12는 광 보정 줌 렌즈를 이용하여 냉각 원자를 수송하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 13는 원자 오븐이 오프된 이후 20ms 후에 광학 쌍극자 포획의 축 방향(z 방향)을 따라 취한 원자의 흡수 이미지를 도시한 도면이다.
도 14는 광학 쌍극자 포획을 위한 레이저 출력과 수송 가속도의 두 가지 매개 변수에 기초한 전송의 효율성을 도시한 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.1 is a diagram illustrating a configuration of an optical correction zoom lens proposed in the present disclosure.
FIG. 2 is a diagram illustrating a 1/e ² Gaussian beam radius ω according to an optical axis distance z when a collimated Gaussian beam having an initial radius of 10 mm travels through the optical correction zoom lens 100 .
3 is a view showing the numerical aperture (NA) and the displacement magnification (M _d ) according to the working distance.
4 is a diagram illustrating an off-axis shift error and a rotation error according to a working distance.
5 is a diagram illustrating the range of the working distance z _WD that the zoom can cover for a given lens spacing t.
6 is a view showing the average value of the numerical aperture (NA) and the displacement magnification (M _d ) as a function of the lens spacing (t).
7 is a diagram showing the standard deviation of the numerical aperture (NA) and the displacement magnification (M _d ) as a function of the lens spacing (t).
8 is a view showing an example of a beam image taken when the lens spacing (t) is 86.4mm and the working distance (z _WD ) is 600mm.
9 is a diagram showing the potential profile of optical dipole capture measured for ¹⁷⁴ Yb atoms in the ¹ S ₀ ground state.
FIG. 10 shows the measured focal position with parameter x expressed as working distance z _WD for the zoom position range from 24.3 mm to 50.3 mm.
11 is a diagram illustrating a beam waist radius (ω ₀ ) measured at the same zoom position as in FIG. 10 .
12 is a diagram illustrating a system for transporting cooling atoms using a light-correcting zoom lens.
13 is a diagram showing an absorption image of an atom taken along the axial direction (z direction) of optical dipole capture 20 ms after the atomic oven is turned off.
14 is a diagram showing the efficiency of transmission based on two parameters: laser power and transport acceleration for optical dipole capture.
In connection with the description of the drawings, the same or similar reference numerals may be used for the same or similar components.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

이하에서, 본 발명의 이해를 제공하기 위해 특정 세부 사항이 설명될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 세부 사항없이 실시될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 또한, 통상의 기술자는 이하에서 설명되는 본 발명의 다양한 실시 예가 프로세스, 장치, 시스템 또는 컴퓨터 판독 가능 매체 상의 방법과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 인식할 것이다.In the following, specific details may be set forth in order to provide an understanding of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these details. In addition, those skilled in the art will recognize that the various embodiments of the present invention described below may be implemented in various ways, such as as a process, an apparatus, a system, or a method on a computer-readable medium.

도면에 도시된 구성 요소는 본 발명의 예시적인 실시 예를 도시하고 있을 뿐이고, 발명을 모호하게 하는 것을 피하기 위한 것이다. 또한, 도면 내의 구성 요소들 간의 연결은 직접 연결로 제한되지 않는다. 오히려, 이들 구성 요소들 사이의 데이터는 중간 구성 요소 또는 장치에 의해 수정, 재 포맷 또는 달리 변경될 수 있다. 또한 추가 또는 더 적은 연결이 사용될 수 있다. "연결된" 또는 "통신적으로 연결된"이라는 용어는 직접 연결, 하나 이상의 중개 장치를 통한 간접 연결 및 무선 연결을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The components shown in the drawings show only exemplary embodiments of the present invention, and are intended to avoid obscuring the present invention. In addition, the connection between the components in the drawing is not limited to a direct connection. Rather, data between these components may be modified, reformatted, or otherwise altered by intermediate components or devices. Also, more or fewer connections may be used. The terms “coupled” or “communicatively coupled” should be understood to include direct connections, indirect connections through one or more intermediary devices, and wireless connections.

광학 쌍극자 포획(optical dipole trap, ODT)의 위치를 이동시켜 포획된 저온 원자를 제1 위치에서 제2 위치로 수송하기 위해 본 개시에서는 광 보정 줌(optically compensated zoom, OCZ) 렌즈의 사용을 제안한다. The present disclosure proposes the use of an optically compensated zoom (OCZ) lens to move the position of an optical dipole trap (ODT) to transport the trapped cold atoms from a first position to a second position. .

줌 렌즈는 일반적으로 이미지 평면 위치를 일정하게 유지하면서 유효 초점 거리를 변경하도록 설계된다. 그러나, 이 개시에서는 시준된 레이저 빔(collimated laser beam)의 삽입을 통해 생성되는 광학 축을 따라 초점을 이동하는 데 줌 렌즈를 사용한다. Zoom lenses are generally designed to vary the effective focal length while keeping the image plane position constant. However, this disclosure uses a zoom lens to shift the focus along an optical axis created through insertion of a collimated laser beam.

본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈는 프로그래밍 가능하게 줌을 제어할 수 있으며, 이에 따라 상당한 장점을 가지게 된다. 첫째로 광 보정 줌 렌즈의 보정 설계는 초점이 이동될 때 개구 수(numerical aperture)를 유지하여 이동 중에도 광학 쌍극자 포획에 일정한 포획 깊이를 제공한다. 둘째, 광 보정 줌 렌즈를 통합한 이동 광학 쌍극자 포획은 중간 초점이 필요하지 않아 초점을 전달하는 시스템에 비해 광학 시스템의 크기를 크게 줄일 수 있다. 결과적으로 광 보정 줌 렌즈 내에서 줌을 작동시키는 병진 단계(translational stage)는 총 원자 수송 길이의 일부만 이동시키면 된다. 셋째, 광 보정 줌 렌즈는 정밀한 결과를 획득하기 위해 렌즈 사이의 거리를 지속적으로 조정할 수 있기 때문에 고도의 커스터마이징(customizing)이 가능할 수 있다. 렌즈 조합을 위해 맞춤 제작된 렌즈를 구매할 수 있는 옵션과 함께 기성품 렌즈 중에서 광범위하게 렌즈를 선택할 수 있어 광 보정 줌 렌즈의 커스터마이징은 더욱 확장될 수 있다. 넷째, 기계적으로 보정된 줌 렌즈와 달리 광 보정 줌 렌즈는 줌을 위해 포함된 렌즈 간의 비선형 상대 운동이 필요하지 않다. 따라서 고정밀, 안정성 및 단순성을 제공할 수 있는 선형 병진 단계에서, 이동 부품을 이용한 줌의 정밀한 제어가 가능하다. 마지막으로, 관례적으로 유리 렌즈가 사용된다는 사실로 인해 예를 들면, 이중 종 수송을 위한 무채색 광학 쌍극자 트랩 또는 수송 중 효율적인 냉각을 위해 정밀하게 보정된 위치 의존 빔 웨이스트(beam waist)처럼, 디자인에 더 많은 복잡성을 추가할 수 있는 가능성이 있다. The optical compensation zoom lens proposed in the present disclosure can control the zoom programmatically, and thus has a significant advantage. First, the compensation design of optically calibrated zoom lenses maintains a numerical aperture when the focus is shifted, providing a constant capture depth for optical dipole capture while in motion. Second, moving optical dipole capture incorporating a light-compensated zoom lens does not require an intermediate focus, which can significantly reduce the size of the optical system compared to a focus-delivery system. As a result, the translational stage that activates the zoom in a light-corrected zoom lens only needs to move a fraction of the total atomic transport length. Third, the optical compensation zoom lens can be highly customizable because the distance between the lenses can be continuously adjusted to obtain precise results. The customization of optical compensating zoom lenses can be further expanded with a wide selection of off-the-shelf lenses, along with the option to purchase custom-made lenses for lens combinations. Fourth, unlike mechanically calibrated zoom lenses, optically calibrated zoom lenses do not require non-linear relative motion between included lenses for zooming. Thus, precise control of the zoom with moving parts is possible in the linear translation phase, which can provide high precision, stability and simplicity. Finally, due to the fact that glass lenses are customarily used, the design has to be modified, for example, as an achromatic optical dipole trap for double-species transport or a precisely calibrated position-dependent beam waist for efficient cooling during transport. It has the potential to add more complexity.

상술한 바와 같이 광 보정 줌 렌즈는 냉각 원자의 수송에 있어 상당한 장점들을 제공할 수 있는데, 이하에서는 본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈의 구성에 대하여 설명한다.As described above, the optical compensation zoom lens can provide significant advantages in the transport of cooling atoms. Hereinafter, the configuration of the optical compensation zoom lens proposed in the present disclosure will be described.

도 1은 본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈(100)의 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical correction zoom lens 100 proposed in the present disclosure.

도 1을 참조하면, 본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈(100)는 5개의 구성요소, 즉, 5개의 렌즈로 구성될 수 있다. 그리고 5개의 렌즈는 두 개의 렌즈 그룹(렌즈 그룹 A(110), 렌즈 그룹 B(120))으로 분할될 수 있다. 렌즈 그룹 A(110)는 세 개의 포지티브 렌즈(L₁, L₃, L₅)를 포함할 수 있고, 렌즈 그룹 B(120)는 두 개의 네거티브 렌즈(L₂, L₄)를 포함할 수 있다. 렌즈 그룹 A(110)의 세 개의 포지티브 렌즈(L₁, L₃, L₅) 사이의 간격(t₁, t₂)과 두 개의 네거티브 렌즈 사이의 간격(t₃)은 동일할 수 있다. 즉, t₁=t₂=t₃=t일 수 있다. Referring to FIG. 1 , the optical correction zoom lens 100 proposed in the present disclosure may include five elements, that is, five lenses. In addition, the five lenses may be divided into two lens groups (lens group A 110 and lens group B 120 ). Lens group A 110 may include three positive lenses L ₁ , L ₃ , and L ₅ , and lens group B 120 may include two negative lenses L ₂ , L ₄ . . The spacing t ₁ , t ₂ between the three positive lenses L ₁ , L ₃ , and L ₅ of the lens group A 110 and the spacing t ₃ between the two negative lenses may be the same. That is, t ₁ =t ₂ =t ₃ =t may be.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈 그룹 A(110)와 렌즈 그룹 B(120)의 각 렌즈는 번갈아가며 배치될 수 있다. 예들 들면, 렌즈 그룹 A(110)의 렌즈(L₁), 렌즈 그룹 B(120)의 렌즈(L₂), 렌즈 그룹 A(110)의 렌즈(L₃), 렌즈 그룹 B(120)의 렌즈(L₄), 렌즈 그룹 A(110)의 렌즈(L₅)의 순서로 렌즈가 배치될 수 있다. 따라서 본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈는 두 개의 렌즈 그룹(렌즈 그룹 A(110), 렌즈 그룹 B(120))을 광축을 따라 서로 상대적으로 이동하여 복합 광학 시스템의 유효 초점 거리를 변경할 수 있는 두 구성 요소로 구성되는 것으로 설명될 수 있다. 렌즈 그룹 간의 상대 위치는 도 1에 도시된 변위 매개변수(x)에 의해 정의될 수 있다. Also, as shown in FIG. 1 , each lens of the lens group A 110 and the lens group B 120 may be alternately disposed. For example, the lens L ₁ of the lens group A 110 , the lens L ₂ of the lens group B 120 , the lens L ₃ of the lens group A 110 , the lens of the lens group B 120 . The lenses may be disposed in the order of (L ₄ ) and the lens ( L ₅ ) of the lens group A 110 . Therefore, the optical correction zoom lens proposed in the present disclosure can change the effective focal length of a composite optical system by moving two lens groups (lens group A 110 and lens group B 120) relative to each other along the optical axis. It can be described as being composed of two components. The relative positions between lens groups can be defined by the displacement parameter (x) shown in FIG. 1 .

일 실시 예에 따라, 본 개시에서는 렌즈 그룹 B(120)의 두 개의 렌즈(L₂, L₄)가 동일한 초점 거리를 가지고, 렌즈 그룹 A(110)의 두 개의 렌즈(L₁, L₅)가 동일한 초점 거리를 가지는 대칭 렌즈 레이아웃을 제안한다. According to an embodiment, in the present disclosure, the two lenses L ₂ , L ₄ of the lens group B 120 have the same focal length, and the two lenses L ₁ , L ₅ of the lens group A 110 . proposes a symmetrical lens layout with the same focal length.

광 보정 줌 렌즈는 줌잉(zooming)을 위해 각 광학 요소의 비선형적이고 독립적인 렌즈 움직임이 필요하지 않기 때문에 기계적으로 보정된 줌 렌즈에 비해 유리하다. 오늘날 기계적으로 보정된 줌 렌즈는 주로 상업용 줌 렌즈에 사용되지만, 유효 초점 거리의 높은 안정성과 정확성을 갖춘 초정밀 줌 제어가 필요한 애플리케이션에는 사용하기가 어렵다. 기계적으로 보정된 줌 렌즈의 이러한 단점은 주로 광학 요소의 비선형 상대 이동을 위한 기계식 캠 사용에서 비롯된다. 냉각 원자의 이동을 위한 이동 광학 쌍극자 포획은 냉각된 원자를 ODT로 효율적으로 로드하고 정확한 목적지로 전달하기 위해 초점의 정확한 위치 지정이 필요하다. 수송 중 과도한 가속 및 포획 위치의 원치않는 변동에 따른 파라메트릭 가열(parametric heating)로 인해 포획된 원자가 손실되는 것을 최소화하기 위해 초점 위치의 움직임은 정밀하게 제어되어야 한다.Optically compensated zoom lenses are advantageous over mechanically compensated zoom lenses because non-linear and independent lens movement of each optical element is not required for zooming. Today, mechanically calibrated zoom lenses are mainly used in commercial zoom lenses, but they are difficult to use in applications that require ultra-precise zoom control with high stability and accuracy of effective focal length. This disadvantage of mechanically calibrated zoom lenses stems primarily from the use of mechanical cams for non-linear relative movement of the optical element. Shifting optical dipole capture for the movement of cooling atoms requires precise positioning of the focus to efficiently load the cooled atoms into the ODT and deliver them to the correct destination. The movement of the focal position must be precisely controlled to minimize the loss of trapped atoms due to parametric heating due to excessive acceleration during transport and unwanted fluctuations in the capture position.

광학 쌍극자 포획 이동에 대한 이러한 요구 사항을 고려하여, 렌즈 그룹 B(120)의 변위, 즉 줌을 제어함으로써 유효 후면 초점 거리, 즉 광학 쌍극자 포획 위치를 정밀하게 조정하도록 하기 위하여 광 보정 줌 렌즈에 시준된 가우시안 빔(collimated Gaussian beam)이 입사될 수 있다. Considering this requirement for optical dipole capture movement, collimating the optical compensating zoom lens in order to precisely adjust the effective rear focal length, ie, the optical dipole capture position, by controlling the displacement, ie zoom, of lens group B 120 . A collimated Gaussian beam may be incident.

도 2는 초기 반경이 10mm인 시준된 가우시안 빔이 광 보정 줌 렌즈(100)를 통과하여 진행할 때의 광축 거리(z)에 따른 1/e²가우시안 빔 반경(ω)을 도시한 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating a 1/e ² Gaussian beam radius ω according to an optical axis distance z when a collimated Gaussian beam having an initial radius of 10 mm travels through the optical correction zoom lens 100 .

도 2는 줌으로 조정된 다양한 초점 거리에 대해 가우시안 빔이 광 보정 줌 렌즈(100)를 통해 어떻게 전파되는 지를 설명한다. FIG. 2 illustrates how a Gaussian beam propagates through a light-correcting zoom lens 100 for various zoom-adjusted focal lengths.

도 2는 렌즈(L₅)에 중심을 둔 광축(z)에 대한 1/e²가우시안 빔 반경(ω)을 도시한 것이다. 가우시안 빔 강도 프로파일은 도 1에 도시된 매개변수(x)에 의해 결정된 7개의 상이한 줌 초점 거리에 대해 1 차식으로 결정된다. 도 2에 도시된 결과는 광 보정 줌 렌즈(100)가 무한한 조리개 크기와 렌즈(L₁, L₂, L₃, L₄, L₅)의 초점거리(f₁, f₂, f₃, f₄, f₅)각 각각 250, -80, 80, -80, 250mm인 5개의 얇은 렌즈로 구성된다고 가정하였을 때의 결과이다. 이때, 각 렌즈 그룹 내 렌즈 간격(t₁=t₂=t₃=t)은 86.4mm일 수 있다. 반경(ω)은 10 mm이고 파장(λ)은 532nm인 시준된 가우시안 빔이 광 보정 줌 렌즈(100)에 입사되고 초점을 통해 빠져나간다. 가우시안 빔은 매개변수(x)에 의해 설정되는 줌에 의존하여 가변 위치에 초점이 맞춰진다. 이 결과는 수차(aberration) 및 왜곡(distortion)으로 인한 고차(high order) 영향이 없는 경우 줌 동작에서 광 보정 줌 렌즈(100)에 대한 기본적인 이해를 제공하기위한 엄격한 1 차 계산 결과이다. 이러한 이상적인 계산 결과는 광 보정 줌 렌즈를 유효 초점 거리, 개구 수, 레일리 범위(z_R) 및 최적의 정지 위치와 같은 주어진 사양에 따라 광 보정 줌 렌즈(100)를 구성할 때 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 2 shows the 1/e ² Gaussian beam radius ω about the optical axis z centered on the lens L ₅ . A Gaussian beam intensity profile is determined linearly for 7 different zoom focal lengths determined by the parameter x shown in FIG. 1 . The result shown in FIG. 2 is that the optical correction zoom lens 100 has an infinite aperture size and focal lengths f ₁ , f ₂ , f ₃ , f of the lenses L ₁ , L ₂ , L ₃ , L ₄ , L ₅ . ₄ , f ₅ ) is the result assuming that it consists of 5 thin lenses of 250, -80, 80, -80, and 250mm, respectively. In this case, the lens interval (t ₁ =t ₂ =t ₃ =t) within each lens group may be 86.4 mm. A collimated Gaussian beam with a radius ω of 10 mm and a wavelength λ of 532 nm is incident on the optical compensating zoom lens 100 and exits through the focus. The Gaussian beam is focused at a variable position depending on the zoom set by the parameter x. This result is a strict first order calculation result to provide a basic understanding of the optical correction zoom lens 100 in the zoom operation when there is no high order effect due to aberration and distortion. These ideal calculation results would provide important insights when constructing an optically compensated zoom lens according to given specifications such as effective focal length, numerical aperture, Rayleigh range (z _R ), and optimal stopping position. can

약 70mm까지의 렌즈 그룹 B(120)의 선형 운동은 매개변수(t)가 86.4mm인 구성에서 유효 초점 거리를 1.2m 이상 변경할 수 있다. 광축을 따라 렌즈(L₅)에서 초점 위치까지의 거리로 정의되는 작동 거리(z_WD)는 매개변수(x)가 증가함에 따라 단조 감소한다. 원거리 영역에서 빔 에지(beam edge)의 들어오는 각도와 나가는 각도를 관찰한다면, 즉 줌잉 범위 전체에서 빔 발산(beam divergence)이 보존된다는 것을 추론할 수 있다. 이 관찰에 기초하면, 광 보정 줌 렌즈의 고유한 보정 능력으로 인해 빔 웨이스트 반경(ω₀)이 줌 동작동안 일정하게 유지될 것이라고 추론할 수 있다. 또한, 도 2의 빨간색 음영 영역(210)으로 표시된 광 보정 줌 렌즈(100) 내의 빔 전파를 참조하면, 매개변수(x)가 25mm보다 큰 경우 렌즈(L₃)의 위치에서 빔의 반경이 가장 크고, 그렇지 않은 경우 렌즈(L₅)의 위치에서 빔의 반경이 가장 크다는 것을 알 수 있다. 상술한 결과는 렌즈 직경을 결정할 때 고려되어야 하며 줌 동작 중 다양한 조리개 제약들로 인한 일관되지 않은 빔 웨이스트 특성을 방지하기 위해 적절한 조리개 스톱을 제공해야 할 필요가 있다. 여기서 조리개 스톱은 광학 시스템을 통과하는 빛의 양을 제한하기 위한 개구일 수 있다.Linear motion of lens group B 120 up to about 70 mm can change the effective focal length by more than 1.2 m in the configuration where parameter t is 86.4 mm. The working distance z _WD , defined as the distance from the lens L ₅ to the focal position along the optical axis, decreases monotonically as the parameter x increases. By observing the incoming and outgoing angles of the beam edge in the far field, it can be inferred that beam divergence is preserved throughout the zooming range. Based on this observation, it can be inferred that the beam waist radius ω ₀ will remain constant during the zoom operation due to the intrinsic correction capability of the optically correcting zoom lens. In addition, referring to the beam propagation in the optical correction zoom lens 100 indicated by the red shaded area 210 in FIG. 2 , when the parameter x is greater than 25 mm, the radius of the beam at the position of the lens L ₃ is the most Large, otherwise it can be seen that the radius of the beam is the largest at the position of the lens (L ₅ ). The above results should be considered when determining the lens diameter, and it is necessary to provide an appropriate stop stop to prevent inconsistent beam waist characteristics due to various aperture constraints during zoom operation. Here, the stop stop may be an aperture for limiting the amount of light passing through the optical system.

도 3은 작동 거리에 따른 개구 수(N.A.)(310) 및 변위 배율(M_d)(320)을 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating the numerical aperture (NA) 310 and the displacement magnification (M _d ) 320 according to the working distance.

도 3에의 결과는 도 2와 동일한 광 보정 줌 렌즈 구성에서 획득한 결과이다. 도 3에 도시된 작동 거리(z_WD)의 범위는 매개변수 x = 20mm에서 x = 63mm까지의 줌 위치에 해당한다. 도 3을 참조하면, 작동 거리(z_WD) 또는 초점이 광축을 따라 800mm의 거리만큼 이동함에 따라 개구 수가 평균값 0.0120의 2.5% 이내로 유지된다는 것을 알 수 있다. 입력되는 가우시안 빔의 폭을 늘리면 개구 수가 비례적으로 증가하여 빔 웨이스트가 작아질 수 있다. 따라서, 작동 거리에 따른 개구 수의 편차 프로파일은 입력되는 가우시안 빔의 폭에 따라 확장될 수 있다. 도 3에 도시된 개구 수의 작은 편차는 오로지 1차식 계산의 결과이며, 추가적인 고차 영향 또는 정렬 불완전성은 줌 렌즈의 보정 특성을 추가로 수정할 수 있다.The results in FIG. 3 are results obtained in the same optical correction zoom lens configuration as in FIG. 2 . The range of the working distance z _WD shown in FIG. 3 corresponds to the zoom position from the parameter x = 20 mm to x = 63 mm. Referring to FIG. 3 , it can be seen that the numerical aperture is maintained within 2.5% of the average value of 0.0120 as the working distance z _WD , or focus, is moved along the optical axis by a distance of 800 mm. When the width of the input Gaussian beam is increased, the number of numerical apertures is proportionally increased, so that the beam waist can be reduced. Therefore, the deviation profile of the numerical aperture according to the working distance may be expanded according to the width of the input Gaussian beam. The small deviation of the numerical aperture shown in Fig. 3 is only the result of a first-order calculation, and additional higher-order effects or alignment imperfections can further modify the correction characteristics of the zoom lens.

도 3에 도시된 변위 배율(M_d)은 M_d =-dz_WD/dx로 계산될 수 있는데, 주어진 작동 거리로 초점을 이동하는 데 필요한 줌 움직임의 크기를 설명하는 용어를 정의될 수 있다. 작동 거리는 줌 위치에 따라 선형적으로 변경되지 않으므로 M_d는 z_WD에 대해 일정한 값을 가지지 않는다. 도 3은 광 보정 줌 렌즈의 렌즈간 거리(t)가 86.4 mm일 때, 작동 거리에 따른 변위 배율(M_d)(320)을 도시한다. 도 3의 변위 배율(M_d)(320)을 참조하면, 렌즈 그룹 B(120)가 일정한 속도로 매개 변수(x)가 감소하는 방향을 따라 이동할 때, 초점이 렌즈(L₅)에서 멀어질수록 약간 가속된다는 것을 의미한다. 초점 속도(v_ODT) v_ODT = dz_WD/dt가 일정하게 유지되어야 하는 경우, 줌 모션의 속도(v_x) v_x = dx/dt는 M_d(x)의 변화를 보상하도록 제어될 수 있다. The displacement magnification (M _d ) shown in FIG. 3 can be calculated as M _d =-dz _WD /dx, and a term describing the amount of zoom movement required to move the focus to a given working distance can be defined. Since the working distance does not change linearly with the zoom position, M _d does not have a constant value for z _WD . 3 shows the displacement magnification (M _d ) 320 according to the working distance when the inter-lens distance t of the optical correction zoom lens is 86.4 mm. Referring to the displacement magnification (M _d ) 320 of FIG. 3 , when the lens group B 120 moves along the direction in which the parameter x decreases at a constant speed, the focus will move away from the lens L ₅ . This means that it accelerates slightly. If the focus velocity (v _ODT ) v _ODT = dz _WD /dt is to be kept constant, the velocity of the zoom motion (v _x ) v _x = dx/dt can be controlled to compensate for the change in M _d (x) .

도 4는 작동 거리에 따른 축외 이동 오차(off-axis shift error)(410) 및 회전 오차(rotation error)(420)를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an off-axis shift error 410 and a rotation error 420 according to a working distance.

도 4는 BPM(beam propagation method)을 사용하여 줌 동작 중에 발생하는 측면 렌즈 정렬 오류를 도시한 것이다. 도 4의 결과는 줌 동작 중에 기계적 진동의 영향을 받기 쉬운 측면 정렬 오차(lateral alignment error)를 제외하고 얇은 렌즈와 전체적인 이상적인 조건을 가정하여 획득한 것이다. 렌즈 그룹 A(110)의 렌즈가 완벽하게 정렬된 반면 렌즈 그룹 B(120)는 광축에 대해 축외 이동 오차 및 회전 오차를 보이는 경우를 고려한다. 축외 이동 오차는 렌즈 그룹 B(120)의 두 렌즈가 광축 방향(가로 방향)으로 동일한 양만큼 이동할 때 초점이 경험하는 측면 이동의 양을 나타낸다. 도 4에 도시된 결과를 참조하면, 렌즈 그룹 B(120)가 1um만큼 축에서 벗어나 이동하면 초점은 축에서 평균 18um 정도 벗어나 이동함을 알 수 있다. 정확한 축외 이동 오차(410)는 줌 위치에 따라 다르며 작동 거리에 따라 증가한다.4 illustrates a lateral lens alignment error occurring during a zoom operation using a beam propagation method (BPM). The results of FIG. 4 are obtained assuming a thin lens and overall ideal conditions except for a lateral alignment error that is easily affected by mechanical vibration during a zoom operation. A case in which the lenses of the lens group A 110 are perfectly aligned while the lens group B 120 exhibits an off-axis movement error and a rotation error with respect to the optical axis is considered. The off-axis movement error indicates the amount of lateral movement that the focus experiences when both lenses of the lens group B 120 move by the same amount in the optical axis direction (horizontal direction). Referring to the result shown in FIG. 4 , it can be seen that when the lens group B 120 moves off the axis by 1 μm, the focus moves off the axis by about 18 μm on average. The exact off-axis movement error 410 depends on the zoom position and increases with the working distance.

도 4에 도시된 회전 오차(420)는 두 렌즈 사이의 중간 지점에 있고 광축에 수직으로 향하는 축을 중심으로 회전하는 렌즈 그룹 B(120)로 인해 초점이 광축을 벗어나는 상황에 기인한다. 이 회전 오차는 회전 각도 당 초점 측면 변위로 표시된다. 회전 오차의 경우 렌즈 그룹 B(120)의 두 렌즈가 반대 방향으로 이동하여 상쇄 방식으로 초점을 이동하기 때문에 회전 오차에 따른 초점의 전체 이동이 축외 이동 오차에 비해 크지 않을 수 있다. 도 4를 참조하면, 광학 축에서 광학 쌍극자 포획의 측면 변위의 절대량은 수차와 같은 고차 영향이 초점의 강도 프로파일을 실질적으로 저하시키지 않는 한 원자 로딩 및 운반에 영향을 미치지 않을 수 있다. 다만, 도 4의 결과는 줌 동작 중에 선형 병진 단계에서 렌즈로 전달되는 기계적 진동의 결과로 포획된 원자의 파라메트릭 가열을 유도할 수 있는 광학 쌍극자 포획의 위치 변동을 정량화하는 데 필수적일 수 있다. 도 4의 결과는 렌즈 그룹 B(120)의 이동을 위한 기계식 장치를 설계할 때 렌즈(L₂) 및 렌즈(L₄)의 동 위상 측면 진동을 고려하는 것이 역 위상 진동을 고려하는 것보다 훨씬 더 중요함을 시사한다. 도 4의 결과는 또한 선형 단계가 줌을 적절하게 작동시키기에 충분한 직진도와 평탄도 성능을 가졌는 지를 양적으로 평가하기 위한 정보를 제공할 수 있다. The rotation error 420 shown in FIG. 4 is due to a situation in which the focus is off the optical axis due to the lens group B 120 rotating about an axis that is at an intermediate point between the two lenses and directed perpendicular to the optical axis. This rotational error is expressed as focal lateral displacement per rotational angle. In the case of a rotation error, since the two lenses of the lens group B 120 move in opposite directions to move the focus in an offsetting manner, the overall movement of the focus according to the rotation error may not be large compared to the off-axis movement error. Referring to Figure 4, the absolute amount of lateral displacement of optical dipole trapping in the optical axis may not affect atom loading and transport unless higher order influences such as aberrations do not substantially degrade the intensity profile of the focus. However, the results of Figure 4 may be essential to quantify the positional variation of optical dipole trapping, which may induce parametric heating of the trapped atoms as a result of mechanical vibrations transmitted to the lens in the linear translation phase during zoom operation. The results of Fig. 4 show that when designing the mechanical device for the movement of lens group B 120, considering the in-phase lateral vibrations of the lens L ₂ and the lens L ₄ is much better than considering the anti-phase vibrations. suggesting more importance. The results of FIG. 4 may also provide information for quantitatively evaluating whether the linear step had sufficient straightness and flatness performance to properly operate the zoom.

상술한 광 보정 줌 렌즈(100)를 구성하는 다섯 개 렌즈(L₁, L₂, L₃, L₄, L₅)의 초점 거리는 상업용 기성 렌즈만 사용하면서 줌을 통해 대략 500mm에서 1500mm의 목표 작동 거리(z_WD) 범위를 염두에 두고 선택되었다. 상업적으로 이용가능한 렌즈의 제한적 선택 하에서 만족스러운 결과를 산출하는 일련의 초점 거리는 분석적 접근에서 시작하여 수치적으로 찾을 수 있다. 사용할 최적의 렌즈 집합을 결정하는 것은 복잡한 과정인데, 대부분의 매개 변수가 광범위한 최적화 대상에 대해 서로 얽혀 있으며, 이는 또한 상관 관계가 있고 균형 잡힌 성능을 위해 적절하게 절충되어야 하기 때문이다. 그럼에도 불구하고 광 보정 줌 렌즈(100)를 구성하는 다섯 개 렌즈(L₁, L₂, L₃, L₄, L₅)의 초점 거리를 선택하는 데 있어 다음의 사항들을 고려할 수 있다. 첫째, 본 발명에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈(100)의 대칭 구성에서 동일하게 나타나는 렌즈 그룹 B(120)의 두 개의 네거티브 렌즈의 초점 거리(f₂ 및 f₄)가 주로 줌의 변위 배율(M_d)을 결정한다. 이 점은 렌즈 그룹 B(120)의 위치 변경에 의해 줌을 구현하기 때문에 예상할 수 있다. 특히, 광 보정 줌 렌즈(100)는 렌즈 그룹 B(120)의 두 개의 렌즈(L₂, L₄)가 렌즈 그룹 A(110)의 두 개의 렌즈(L₁, L₅)보다 더 큰 굴절력, 즉 더 작은 |f₂| 및 |f₄|를 가질 때 줌 동작 하에서 더 넓은 작동 거리를 얻을 수 있다. 둘째, 렌즈(L₃)는 렌즈 그룹 B(120)의 두 개의 렌즈(L₂, L₄)에 비해 크기가 비슷하지만 부호가 반대인 굴절력을 가져야 렌즈 그룹 B(120)에 의해 발생하는 발산을 충분히 보상할 수 있다. 마지막으로 대칭으로 쌍을 이루는 렌즈 그룹 A(110)의 렌즈(L₁ 및 L₅)는 렌즈(L₃)에 비해 상당히 작은 굴절력을 가지도록 선택될 수 있다. 이러한 렌즈 배열을 통해 줌 동작동안에 작동 거리(z_WD)의 범위를 충분히 보장하기위해 초점 위치를 광 보정 줌 렌즈(100)에서 멀리 떨어지도록 할 수 있다. The focal lengths of the five lenses (L ₁ , L ₂ , L ₃ , L ₄ , L ₅ ) constituting the above-described optically corrected zoom lens 100 are approximately 500 mm to 1500 mm target operation through zoom while using only commercial off-the-shelf lenses. It was chosen with the distance (z _WD ) range in mind. A set of focal lengths that yield satisfactory results under the limited selection of commercially available lenses can be found numerically, starting with an analytical approach. Determining the optimal set of lenses to use is a complex process, as most parameters are intertwined for a wide range of optimization targets, which are also correlated and must be properly traded for balanced performance. Nevertheless, in selecting the focal lengths of the five lenses (L ₁ , L ₂ , L ₃ , L ₄ , L ₅ ) constituting the optical compensation zoom lens 100 , the following considerations may be considered. First, the focal lengths (f ₂ and f ₄ ) of the two negative lenses of the lens group B 120 that appear the same in the symmetric configuration of the optical correction zoom lens 100 proposed in the present invention are mainly the displacement magnification (M) of the zoom. _d ) is determined. This point can be expected because zoom is implemented by changing the position of the lens group B 120 . In particular, the optical correction zoom lens 100 has two lenses (L ₂ , L ₄ ) of the lens group B 120 have greater refractive power than the two lenses ( L ₁ , L ₅ ) of the lens group A 110 , i.e. the smaller |f ₂ | and |f ₄ |, a wider working distance can be obtained under a zoom operation. Second, the lens L ₃ is similar in size to the two lenses L ₂ and L ₄ of the lens group B 120, but must have a refractive power with the opposite sign to prevent divergence caused by the lens group B 120 enough to compensate. Finally, the lenses L ₁ and L ₅ of the lens group A 110 that are symmetrically paired may be selected to have significantly smaller refractive power than the lenses L ₃ . Through this lens arrangement, the focal position can be moved away from the optical correction zoom lens 100 to sufficiently ensure a range of the working distance z _WD during the zoom operation.

다섯 개 렌즈의 초점 거리가 결정되면 줌에서 원하는 작동 거리(z_WD) 범위를 생성하는 렌즈 그룹 내 렌즈 간격(t₁=t₂=t₃=t)을 결정할 수 있다. Once the focal lengths of the five lenses have been determined, the lens spacing (t ₁ =t ₂ =t ₃ =t) within the lens group that produces the desired working distance (z _WD ) range in zoom can be determined.

도 5는 주어진 렌즈 간격(t)에 대해 줌이 커버할 수 있는 작동 거리(z_WD)의 범위를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating the range of the working distance z _WD that the zoom can cover for a given lens spacing t.

도 5를 참조하면, 작동 거리(z_WD)의 본질적인 한계는 0이 아닌 두께 d를 가지면서 렌즈가 물리적으로 접촉하는 것에 기인한 기계적 제약으로 인해 발생한다. 즉, 도 1을 참조하면, x는 d<x<t-d의 움직일 수 있는 범위를 가질 수 있다. 줌에 대해 d<x<t-d의 경계를 설정하면 도 5에 표시된 빨간색 점선(510, 520)의 작동 거리(z_WD)에 대한 한계를 얻을 수 있다. 도 5의 결과는 d는 15mm로 설정되었을 때의 결과를 나타낸다. 이러한 경계는 렌즈 고정 마운트에 고정된 렌즈 및 두꺼운 렌즈에서 증가된 광학 경로 길이를 정확하게 반영할 수 있다. 진한 파란색 음영 영역(530)은 줌 동작동안의 개구 수(N.A.)의 피크 대 피크 변화가 중앙 값의 1% 미만인 작동 거리(z_WD)의 바람직한 범위를 나타낸다. 개구 수(N.A.)가 진한 파란색 음영 영역(530)에 비해 상대적으로 크게 변경되는 밝은 파란색 음영 영역(540)에서도 변동이 8% 미만으로 유지되어 종래의 전형적인 광학 쌍극자 포획에 비해 훨씬 더 개선된 결과를 제공한다.Referring to FIG. 5 , the intrinsic limit of the working distance z _WD occurs due to mechanical constraints due to physical contact of the lens with a non-zero thickness d . That is, referring to FIG. 1 , x may have a movable range of d<x<td. By setting a boundary of d<x<td for zoom, a limit on the working distance z _WD of the red dotted lines 510 and 520 shown in FIG. 5 can be obtained. 5 shows the result when d is set to 15 mm. These boundaries can accurately reflect the increased optical path length in thick lenses and lenses fixed to lens mounts. The dark blue shaded area 530 represents the preferred range of the working distance z _WD where the peak-to-peak change in numerical aperture (NA) during the zoom operation is less than 1% of the median value. Even in the light blue shaded region 540, where the numerical aperture (NA) changes relatively significantly compared to the dark blue shaded region 530, the variation remains less than 8%, resulting in much better results compared to conventional typical optical dipole capture. to provide.

렌즈 간격(t)의 변경은 줌 동작으로 달성된 작동 거리(z_WD) 범위를 결정할 뿐만 아니라, 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)도 변경될 수 있다. Changing the lens spacing t not only determines the range of the working distance z _WD achieved with the zoom operation, but also the numerical aperture NA and displacement magnification M _d can be changed.

도 6은 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)의 평균값을 렌즈 간격(t)의 함수로 도시한 도면이다. 도 6의 평균값은 줌 위치에 대해 취해진다. 렌즈 간격(t)이 86.4 mm인 경우에 해당하는 도 3을 다시 참조하면, 줌 동안의 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)의 변화를 명시적으로 볼 수 있다. 줌 동작 하에서의 이 변화를 정량화하기 위해 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)의 표준 편차를 렌즈 간격(t)의 함수로 수치적으로 계산할 수 있다. 6 is a view showing the average value of the numerical aperture (NA) and the displacement magnification (M _d ) as a function of the lens spacing (t). The average value in Fig. 6 is taken for the zoom position. Referring again to FIG. 3 corresponding to the case where the lens spacing t is 86.4 mm, changes in the numerical aperture (NA) and displacement magnification (M _d ) during zoom can be clearly seen. To quantify this change under zoom operation, the standard deviations of numerical aperture (NA) and displacement magnification (M _d ) can be calculated numerically as a function of lens spacing (t).

도 7은 개구 수(N.A.) 및 변위 배율(M_d)의 표준 편차를 렌즈 간격(t)의 함수로 도시한 도면이다. 7 is a diagram showing the standard deviation of the numerical aperture (NA) and the displacement magnification (M _d ) as a function of the lens spacing (t).

도 5 내지 도 7의 결과를 참조하면, 렌즈 간격(t)이 감소함에 따라 줌 동작 하에서 작동 거리(z_WD)의 범위가 평균 변위 배율과 함께 증가함을 알 수 있다. Referring to the results of FIGS. 5 to 7 , it can be seen that the range of the working distance z _WD under the zoom operation increases with the average displacement magnification as the lens distance t decreases.

한편, 실제 실험에서는 광 보정 줌 렌즈가 생성할 수 있는 최소 동작 거리가 증가하여 렌즈 간격(t)에 대한 하한을 제시할 수 있다. 줌 동작에서 작동 거리(z_WD)의 범위를 늘리기 위해 t를 줄일 때 유의해야 할 점은 도 6에 도시된 바와 같이 평균 개구 수(N.A.)도 감소한다는 것이다. 그럼에도 불구하고 이러한 개구 수(N.A.) 감소는 원하는 개구 수(N.A.) 값에 대한 입력 가우시안 빔 반경을 확장하여 보완할 수 있다. 광 보정 줌 렌즈의 보정 설계로 인해 줌에서 개구 수(N.A.)의 표준 편차가 일반적으로 잘 억제되지만 도 7을 참조하면, 렌즈 간격(t)이 클수록 개구 수(N.A.)의 표준 편차가 여전히 증가한다는 점을 인식하여야 한다. 변위 배율(M_d)의 표준 편차도 렌즈 간격(t)에 따라 최대 50%까지 증가한다. 줌 동작동안 변위 배율(M_d)의 상대적으로 큰 변화에도 불구하고 광학 쌍극자 포획 이동에 대한 악영향은 위에서 언급한 바와 같이 줌을 작동시키는 선형 단계에 대한 제어를 통해 쉽게 보상될 수 있다.On the other hand, in an actual experiment, the minimum operating distance that can be generated by the optical correction zoom lens is increased, thereby providing a lower limit for the lens spacing t. It should be noted that when t is reduced to increase the range of the working distance z _WD in the zoom operation, the average numerical aperture NA also decreases as shown in FIG. 6 . Nevertheless, this reduction in numerical aperture (NA) can be compensated for by expanding the input Gaussian beam radius for the desired numerical aperture (NA) value. Although the standard deviation of the numerical aperture (NA) in zoom is generally well suppressed due to the correction design of the optical correction zoom lens, referring to Fig. 7, it is shown that the standard deviation of the numerical aperture (NA) still increases as the lens spacing t increases. point should be recognized. The standard deviation of the displacement magnification (M _d ) also increases by up to 50% with the lens spacing (t). Despite the relatively large change in the displacement magnification (M _d ) during the zoom operation, the adverse effect on the optical dipole capture movement can be easily compensated for through control over the linear step of operating the zoom, as mentioned above.

상술한 바와 같이 광 보정 줌 렌즈의 성능에 영향을 미치는 렌즈 간격(t)은 다음의 동작을 통해 최적화할 수 있다. 이상적으로는 더 넓은 범위의 작동 거리(z_WD), 더 큰 변위 배율(M_d) 및 줌 동작에서 더 작은 성능 변화를 얻으려면 렌즈 간격(t)을 최소화하여야 한다. 그러나 실제로는 유한 렌즈 직경으로 인해 입력 빔 크기가 제한될 뿐만 아니라 광학 접속이 초고 진공 시스템 주변에서는 심각하게 제한된다. 렌즈 정렬 오류 증가도 고려해야 한다. 따라서, 더 큰 개구 수(N.A.) 값을 얻고, 최소 작동 거리(z_WD)를 줄이며, 더 나은 광학 쌍극자 포획의 위치 안정성을 얻기 위해 렌즈 간격(t)은 증가될 수 있다. 궁극적으로, 일반적인 원자 수송 실험의 경우 렌즈 간격(t)은 실험 설정에 의해 주어진 실제 제한 내에서 최소화되어야 한다.As described above, the lens spacing t, which affects the performance of the optical correction zoom lens, can be optimized through the following operation. Ideally, the lens spacing (t) should be minimized to achieve a wider range of working distances (z _WD ), larger displacement magnifications (M _d ), and smaller performance variations over a zoom operation. In practice, however, not only the input beam size is limited by the finite lens diameter, but the optical connection is severely limited around ultra-high vacuum systems. Increased lens alignment errors must also be considered. Therefore, the lens spacing t can be increased to obtain larger numerical aperture (NA) values, reduce the minimum working distance (z _WD ), and obtain better positional stability of optical dipole capture. Ultimately, for a typical atom transport experiment, the lens spacing t should be minimized within the practical limits given by the experimental setup.

본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈의 성능을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다.An experiment was performed to confirm the performance of the optical correction zoom lens proposed in the present disclosure.

실험 설정에서 광 보정 줌 렌즈(100)는 다섯 개의 시판 렌즈로 구성될 수 있다. 250mm 초점 거리의 렌즈(L₁, L₅)는 가시 파장용 반사 방지 코팅이 적용된 2인치 직경의 무채색 이중 렌즈(doublets)(예를 들면, Thorlabs AC508-250-A)를 사용할 수 있다. -80mm 초점 거리의 렌즈(L₂, L₄)는 MgF₂ 코팅이 적용된 40mm 직경의 네거티브 이중 렌즈(예들 들면, Edmund optics 63-764)를 사용할 수 있다. 80mm 초점 거리의 렌즈(L₃)는 MgF2 코팅이 적용된 40mm 직경의 무채색 이중 렌즈(예를 들면, Edmund optics 45-105)를 사용할 수 있다. 렌즈(L₂, L₄)는 선형 모터(예를 들면, Newport XMS160)에 의하여 광축을 따라 이동할 수 있는데, 최대 이동 범위는 160mm이고, 최소 증분 모션은 1nm일 수 있고, 위치 정확도 ±0.5um일 수 있다. In the experimental setting, the optical correction zoom lens 100 may be composed of five commercially available lenses. A 250mm focal length lens (L ₁ , L ₅ ) can use 2-inch diameter achromatic doublets (eg Thorlabs AC508-250-A) with an anti-reflective coating for visible wavelengths. Lenses (L ₂ , L ₄ ) with a focal length of -80 mm may use a 40 mm diameter negative double lens with MgF ₂ coating (eg Edmund optics 63-764). The 80mm focal length lens (L ₃ ) may use a 40mm diameter achromatic double lens (eg Edmund optics 45-105) with MgF2 coating applied. The lenses L ₂ , L ₄ may be moved along the optical axis by a linear motor (eg Newport XMS160), the maximum travel range may be 160 mm, the minimum incremental motion may be 1 nm, and the positional accuracy is ±0.5 μm. can

광 보정 줌 렌즈의 성능을 정확하게 평가하기 위해 다양한 줌 위치에 대해 광축을 따라 복수 개의 빔 이미지를 촬영할 수 있다. 촬영된 빔 이미지를 분석하면 초점 위치, 빔 반경 및 축 강도 변화를 직접 평가할 수 있다. Multiple beam images can be taken along the optical axis for various zoom positions to accurately evaluate the performance of an optically calibrated zoom lens. By analyzing the captured beam images, changes in focal position, beam radius and axial intensity can be directly evaluated.

도 8은 렌즈 간격(t)이 86.4mm이고 작동 거리(z_WD)가 600mm 일 때 촬영한 빔 이미지의 예를 도시한 도면이다.8 is a view showing an example of a beam image taken when the lens spacing (t) is 86.4mm and the working distance (z _WD ) is 600mm.

이때, 광 보정 줌 렌즈에 입사되는 빔은 ND 필터로 충분히 감쇠된 후 5.2um×5.2um의 픽셀들을 가진 흑백 CCD(예를 들면, Thor-labs DCC 1545M)에 직접 입사되어 초점 빔을 제공한다. 도 8의 (a)는 광 보정 줌 렌즈에 반경 6mm의 가우시안 빔을 입력했을 때 초점(z = z_WD)에서 촬영된 빔 프로파일 이미지에 해당한다. y축은 중력과 반대 방향을 따르고 x 축은 y 및 z 축에 직교한다. 그러면, 26.8um의 빔 웨이스트 반경(ω₀)을 관찰할 수 있다. 이 측정은 6mm 가우시안 빔 입력에 대해 계산된 23.3um의 회절 제한 빔 웨이스트보다 15% 정도 더 큼을 알 수 있다. 이 실험 결과에서, 계산된 값보다 빔 웨이스트 반경이 넓어진 주요 원인은 광 보정 줌 렌즈의 구면 수차와 미세 난시 입력 빔일 수 있다. 도 8의 (a)에서는 렌즈(L₃)의 제한된 구경 크기에 의해 생성되는 회절 링도 식별된다. 실험에서 입력 가우스 빔 반경은 도 2에 도시된 결과 값보다 40% 더 작으며, 이 차이는 예상되는 개구 수(N.A.)를 0.6의 요소에 의하여 비례적으로 수정함으로써 해소될 수 있다. 작동 거리 및 세로 확대와 같은 매개 변수는 변경되지 않는다.At this time, the beam incident on the optical correction zoom lens is sufficiently attenuated by the ND filter and then directly incident on a black and white CCD having 5.2um × 5.2um pixels (eg, Thor-labs DCC 1545M) to provide a focal beam. 8(a) corresponds to a beam profile image taken at a focus (z = z _WD ) when a Gaussian beam having a radius of 6 mm is input to the optical correction zoom lens. The y-axis follows the direction opposite to gravity and the x-axis is orthogonal to the y and z axes. Then, a beam waist radius (ω ₀ ) of 26.8 μm can be observed. It can be seen that this measurement is about 15% larger than the calculated diffraction-limited beam waist of 23.3um for a 6mm Gaussian beam input. In this experimental result, the main causes of the wider beam waist radius than the calculated value may be the spherical aberration of the optical correction zoom lens and the input beam as microscopic astigmatism. In (a) of FIG. 8 , the diffractive ring created by the limited aperture size of the lens L ₃ is also identified. In the experiment, the input Gaussian beam radius is 40% smaller than the result value shown in FIG. 2, and this difference can be resolved by proportionally correcting the expected numerical aperture (NA) by a factor of 0.6. Parameters such as working distance and vertical magnification remain unchanged.

도 8의 (b)에 도시된 예와 같이, z에 따른 강도 프로파일을 얻기 위해 초점 부근의 여러 z 위치에서 이미지를 획득할 수 있다. 도 8의 (b)의 경우 Rayleigh 범위는 약 6mm로, 의 예상 값보다 약 40 % 크게 측정된다. 불일치는 주로 빔 파면에 영향을 주는 다양한 수차와 가우스에서 벗어난 입력 빔 프로파일로 인해 발생한다. As in the example shown in (b) of FIG. 8 , images may be acquired at several z positions near the focal point to obtain an intensity profile according to z. In the case of (b) of FIG. 8 , the Rayleigh range is about 6 mm, which is about 40% larger than the expected value of . The discrepancy is mainly due to various aberrations affecting the beam wavefront and the input beam profile deviating from Gaussian.

도 9는 ¹S₀ 기저 상태에서 ¹⁷⁴Yb 원자에 대해 측정된 광학 쌍극자 포획의 포텐셜 프로파일(potential profile)을 도시한 도면이다. 도 9의 예는 -y 방향으로 인가되는 중력 가속도를 포함한다. 도 9의 결과는 레이저 출력이 파장 532nm에서 20W이고, 포획 깊이는 약 16MHz일 때의 결과이다.9 is a diagram showing the potential profile of optical dipole capture measured for ¹⁷⁴ Yb atoms in the ¹ S ₀ ground state. The example of FIG. 9 includes gravitational acceleration applied in the -y direction. The results in FIG. 9 are results when the laser power is 20 W at a wavelength of 532 nm and the capture depth is about 16 MHz.

도 8 및 도 9에 도시된 것처럼, 실험에서 원자를 수송하는 데 사용된 복수의 줌 위치에 대해 빔 초점 프로파일이 측정될 수 있다.As shown in Figures 8 and 9, beam focus profiles can be measured for multiple zoom positions used to transport atoms in the experiment.

도 10은 매개변수(x)가 24.3mm에서 50.3mm까지의 줌 위치 범위에 대해 작동 거리(z_WD)로 표시된 측정된 초점 위치를 도시한 도면이다. FIG. 10 shows the measured focal position with parameter x expressed as working distance z _WD for the zoom position range from 24.3 mm to 50.3 mm.

실제로 두꺼운 무채색 렌즈를 사용한다는 사실에도 불구하고 줌 동작에서 측정된 작동 거리(z_WD)는 이상적인 얇은 렌즈를 기반으로 한 계산(파란색 실선)과 신뢰성 있게 일치함을 알 수 있다. 따라서 렌즈 간격(t)이 86.4mm일 때의 결과는 실제로 효과적인 렌즈 간격일 수 있다. 두꺼운 렌즈 사이의 실제 간격은 더 긴 것으로 측정되며, 이는 광학 경로 길이의 예상된 증가 d×(n-1)/n

5mm와 일치하며, 여기서 n은 유리의 굴절률이다. 도 2 및 도 3에 도시된 계산 결과는 실험 설정의 엄격한 설명을 위해 렌즈 간격(t)이 86.4 mm의 적합한 값을 기반으로 하였다.In fact, it can be seen that despite the fact that a thick achromatic lens is used, the measured working distance (z _WD ) in the zoom operation is in reliable agreement with the calculations based on the ideal thin lens (solid blue line). Therefore, the result when the lens spacing t is 86.4mm can actually be an effective lens spacing. The actual spacing between thick lenses is measured to be longer, which is the expected increase in optical path length, d×(n−1)/n

5 mm, where n is the refractive index of the glass. The calculation results shown in FIGS. 2 and 3 were based on an appropriate value of 86.4 mm for the lens spacing t for strict description of the experimental setup.

도 11은 도 10과 동일한 줌 위치에서 측정된 빔 웨이스트 반경(ω₀)을 도시한 도면이다. 이러한 빔 웨이스트 반경(ω₀) 측정 값과 오차 막대(잔차 적합(fit residuals))는 도 8 및 도 9에 도시된 것과 같은 다중 빔 프로파일 이미지의 컴파일된 데이터에서 추출될 수 있다. 일반적으로 빔 웨이스트 반경(ω₀)은 회절 제한 값보다는 렌즈 수차로 인해 더 넓어질 수 있으나 도 11에 도시된 바와 같이 줌 동작 범위에서 평균 30.8um(도 11의 가운데 실선) 근처에서 지속적으로 유지된다. 상대적으로 잘 유지된 빔 웨이스트는 광학 쌍극자 포획 프로파일을 일정하게 유지하기 위한 광 보정 줌 렌즈의 보정 기능을 실험적으로 확인시켜 준다. 또한 광학 쌍극자 포획의 깊이는 신뢰할 수 있는 원자 이동을 위해 충분히 작은 10% 미만의 표준 편차로 수송 중에 약간 변할 것이라고 추정할 수 있다.11 is a diagram illustrating a beam waist radius (ω ₀ ) measured at the same zoom position as in FIG. 10 . These beam waist radius (ω ₀ ) measurements and error bars (fit residuals) can be extracted from compiled data of multi-beam profile images such as those shown in FIGS. 8 and 9 . In general, the beam waist radius (ω ₀ ) may be wider due to lens aberrations rather than the diffraction limiting value, but as shown in FIG. 11 , it is constantly maintained around 30.8 um (solid line in the middle of FIG. 11 ) on average in the zoom range. . The relatively well-maintained beam waist experimentally confirms the ability of the optical compensating zoom lens to calibrate to keep the optical dipole capture profile constant. It can also be estimated that the depth of optical dipole trapping will vary slightly during transport with a standard deviation of less than 10% small enough for reliable atomic movement.

도 12는 광 보정 줌 렌즈를 이용하여 냉각 원자를 수송하는 시스템을 도시한 도면이다.12 is a diagram illustrating a system for transporting cooling atoms using a light-correcting zoom lens.

도 12를 참조하면, 시스템은 원자 오븐(1240), 지만슬로워(zeeman slower)(1250), 주 챔버(1220), 광 보정 줌 렌즈(1210) 및 과학 챔버(1230)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 12 , the system may include an atomic oven 1240 , a zeeman slower 1250 , a main chamber 1220 , an optical calibration zoom lens 1210 , and a science chamber 1230 .

도 12에서 광 보정 줌 렌즈(1210)는 빨간색 화살표로 표시한 영역의 내부에 위치할 수 있다.In FIG. 12 , the optical correction zoom lens 1210 may be located inside an area indicated by a red arrow.

도 12에 도시된 시스템은 냉각 원자를 수백 mm 정도의 거리로 운반하는 데 사용될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 시스템의 원자 오븐(1240)은 ¹⁷⁴Yb의 원자 가스를 코어 쉘 MOT(magneto-optical trap)로 형성할 수 있다. 그리고 지만슬로워(1250)는 MOT를 100ms 동안 압축하여 고밀도 냉각 원자 샘플을 주 챔버(1220)에 형성할 수 있다. 이때 냉각 원자 샘플은 대략 5uK의 온도일 수 있다.The system shown in Figure 12 can be used to transport cooling atoms over distances on the order of several hundred millimeters. According to an embodiment, the atomic oven 1240 of the system may form an atomic gas of ¹⁷⁴ Yb as a core-shell magneto-optical trap (MOT). In addition, the jimanslower 1250 may compress the MOT for 100 ms to form a high-density cooled atomic sample in the main chamber 1220 . In this case, the cooled atomic sample may be at a temperature of approximately 5 uK.

지만슬로워(1250)가 MOT를 압축하는 것과 함께 원자 샘플의 중심에 정렬된 광학 쌍극자 포획이 유효 전력 안정화와 함께 MOT 압축 단계 중에 켜질 수 있다. In conjunction with the Butlower 1250 compressing the MOT, optical dipole capture aligned to the center of the atomic sample can be turned on during the MOT compression phase with active power stabilization.

주 챔버(1220)에 생성된 냉각 원자 샘플의 일부는 레이저에 의해 광학 쌍극자 포획에 포획될 수 있다. 이때 MOT를 생성하는 원자 오븐(1240)은 오프될 수 있다. A portion of the cooled atomic sample generated in the main chamber 1220 may be captured by the laser in optical dipole capture. At this time, the atomic oven 1240 for generating the MOT may be turned off.

주 챔버(1220)에서 광학 쌍극자 포획에 포획된 원자는 포획되지 않은 원자들이 떨어지는 동안 중력에 반하여 그대로 유지될 수 있다. Atoms trapped in optical dipole trapping in main chamber 1220 may remain in place against gravity while uncaptured atoms fall.

도 13는 원자 오븐(1240)이 오프된 이후 20ms 후에 광학 쌍극자 포획의 축 방향(z 방향)을 따라 취한 원자의 흡수 이미지를 도시한 도면이다. 도 13을 참조하면, 포획되지 않은 원자의 분산 열 구름 위에 위치한 광학 쌍극자 포획에 포획된 원자(빨간색 점선(1310)으로 둘러싸인 원자) 간의 공간 분리를 명확하게 보여준다. 수송을 시작하기 전에, 포획된 원자 샘플의 원치 않는 내부 운동이 가라 앉도록 500ms 동안 정적 광학 쌍극자 포획에 원자를 유지할 수 있다.13 is a diagram illustrating an absorption image of an atom taken along the axial direction (z direction) of optical dipole capture 20 ms after the atomic oven 1240 is turned off. Referring to FIG. 13 , the spatial separation between the captured atoms (the atoms surrounded by the red dotted line 1310 ) is clearly shown in optical dipole trapping located above the dispersion thermal cloud of uncaptured atoms. Before starting the transport, the atom can be held in static optical dipole capture for 500 ms to allow the unwanted internal motion of the captured atomic sample to subside.

광 보정 줌 렌즈(1210)의 초점거리 이동을 조정하여 원자가 초기에 냉각되고 포획되어 있던 주 챔버(1220)에서 인접한 과학 챔버(1230)로 600mm 정도 이동할 수 있다.By adjusting the focal length movement of the optical correction zoom lens 1210, atoms can move from the main chamber 1220, where they were initially cooled and trapped, to the adjacent science chamber 1230 by about 600 mm.

수송 중 광학 쌍극자 포획의 포획 조건은 레이저 출력과 줌 동작의 가속으로 제어된다. 수송 효율을 평가하기 위해 주 챔버(1220)와 과학 챔버(1230) 각각에서의 원자의 수를 수송을 실행하였을 경우와 수송을 실행하지 않았을 경우에 대해 측정할 수 있다. 수송을 실행하였느냐 하지 않았느냐에 관계없이 원자 수의 측정 전에 원자가 광학 쌍극자 포획에 유지되는 총 시간을 7.5초로 고정하였다. 가속 및 감속이 일정한 값으로 설정되고 이동 중에 속도가 제한되지 않는 프로그래밍 가능한 선형 단계에 의해 광학 쌍극자 포획 이동의 가속이 제어될 수 있다. 600mm 이동에 엄격하게 요구되는 시간은 수송 가속도에 따라 다를 수 있다. The capture conditions of optical dipole capture during transport are controlled by the laser power and acceleration of the zoom operation. In order to evaluate the transport efficiency, the number of atoms in each of the main chamber 1220 and the science chamber 1230 may be measured for a case in which transport is performed and a case in which transport is not performed. The total time the atoms were held in optical dipole capture before the measurement of the number of atoms, whether or not transport was performed, was fixed at 7.5 s. The acceleration of the optical dipole capture movement can be controlled by a programmable linear step in which acceleration and deceleration are set to constant values and speed is not limited during movement. The time strictly required for a 600 mm travel may vary depending on the transport acceleration.

도 14는 광학 쌍극자 포획을 위한 레이저 출력과 수송 가속도의 두 가지 매개 변수에 기초한 전송의 효율성을 도시한 도면이다. 14 is a diagram showing the efficiency of transmission based on two parameters: laser power and transport acceleration for optical dipole capture.

도 14의 수송 효율은 4 개의 독립적인 실험을 통해 과학 챔버(1230)에 도착한 원자의 수를 평균한 다음 수송 전의 주 챔버(1220)에서 측정한 원자의 수로 정규화하여 얻을 수 있다. 도 14를 참조하면, 최대 수송 효율은 2×10⁶ 개의 원자를 수송할 수 있는 경우에 89%로 측정된다.The transport efficiency of FIG. 14 can be obtained by averaging the number of atoms arriving in the science chamber 1230 through four independent experiments and then normalizing it to the number of atoms measured in the main chamber 1220 before transport. Referring to FIG. 14 , the maximum transport efficiency is measured to be 89% when 2×10 ⁶ atoms can be transported.

본 개시에서는 냉각 원자 수송을 위한 광 보정 줌 렌즈를 제안하였으며, 실험을 통하여 해당 렌즈를 사용하였을 경우에 최대 수송 효율이 89%임을 보인 바, 본 개시에서 제안하는 광 보정 줌 렌즈가 유용함을 알 수 있다. In the present disclosure, a light-correcting zoom lens for transporting cooling atoms was proposed, and as it was shown through experiments that the maximum transport efficiency was 89% when the lens was used, it can be seen that the optical correction zoom lens proposed in the present disclosure is useful. there is.

Claims

A light compensating zoom lens for cooling atom transport, comprising:
a first lens group including lenses L2 and L4 having two negative focal lengths; and
A second lens group comprising lenses (L1, L3, L5) having three positive focal lengths,
The lenses of the first lens group and the lenses of the second lens group are alternately arranged along the optical axis in the order of L1, L2, L3, L4, L5,
and transporting cooling atoms by changing the effective focal length by moving the two lenses (L2, L4) belonging to the first lens group along the optical axis.

According to claim 1,
so that the lens spacing between the two lenses L2 and L4 belonging to the first lens group is equal to the lens spacing between two successive lenses among the three lenses L1, L3, L5 belonging to the second lens group Deployed, optically compensated zoom lens.

3. The method of claim 2,
and the lens spacing is 86.4 mm.

According to claim 1,
The two lenses L2 and L4 belonging to the first lens group have the same first focal length,
Two lenses (L1, L5) of the three lenses belonging to the second lens group have the same second focal length.

5. The method of claim 4,
The absolute value of the first focal length is smaller than the absolute value of the second focal length,
and an absolute value of the third focal length of the other one of the three lenses belonging to the second lens group is the same as the absolute value of the first focal length.

6. The method of claim 5,
the first focal length is -80 mm,
the second focal length is 250 mm;
and the third focal length is 80 mm.

According to claim 1,
An optically calibrated zoom lens that injects a collimated gaussian beam to precisely tune the optical dipole capture position.

A cooling atom transport system comprising:
an atomic oven to form a magneto-optical trap (MOT) that traps atomic gas;
zeeman slower for compressing the MOT to form a densely cooled atomic sample;
a main chamber for generating an optical dipole trap that captures the cooled atomic sample using a laser;
an optical correction zoom lens according to any one of claims 1 to 7 for transporting the optical dipole capture generated in the main chamber to the science chamber; and
and the science chamber holding the transported science chamber.