專利名稱：光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁光阱、光阱及其它結(jié)構(gòu)冷原子物理實驗系統(tǒng)，特別是一種用于用磁 光阱、光阱及其它利用激光獲得大量數(shù)目的穩(wěn)定的冷原子團并實時監(jiān)控激光強度和穩(wěn)定性 的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在冷原子物理中特別是在冷原子頻標(biāo)中，通常需要將大量的原子俘獲、囚禁并冷 卻下來進行相關(guān)物理，以獲得更長的作用時間，更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。冷原子物理涉及 到原子精細和能級，地磁場會引起原子能級發(fā)生變化。根據(jù)激光冷卻理論，常見激光冷卻原子的方法以光的偏振態(tài)不同分為線丄線偏振 梯度冷卻和。+_。1 扁振梯度冷卻兩種(參見J. Dalibard andC. Cohen-Tannoudji，J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 6，No. 11, Novemberl989)。從俘獲原子的作用力方式上分為兩種磁光阱和光學(xué)阱，一種是用電磁場和激光共 同作用的磁光阱，這種方法可以獲得大量的高原子數(shù)密度的原子團，并且可以用補償磁場 來抵消地磁場。另一種是用激光俘獲并冷卻原子的全光學(xué)阱，由于沒有磁場線圈，要消除地 磁場，通常是用幾層磁屏蔽桶將系統(tǒng)屏蔽起來。在以前的系統(tǒng)中，通常有兩種做法，一是將激光整形擴束，然后從自由空間進入到 系統(tǒng)中，由于這種系統(tǒng)體積大，不利于屏蔽地磁場，一般用于磁光阱；另一種是通過固定的 光纖調(diào)節(jié)頭垂直入射，再擴束后進入系統(tǒng)，一般用于光學(xué)阱；這兩種方法沒有固定的機械結(jié) 構(gòu)和形式，不利于系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化設(shè)計和精確調(diào)節(jié)，也不利于原子系統(tǒng)的擴展，并且 不能對系統(tǒng)冷卻光強直接進行實時監(jiān)控，不利于實驗的控制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于磁光阱、光阱及其它結(jié)構(gòu) 冷原子物理實驗系統(tǒng)的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)。該系統(tǒng)為冷原子物理系統(tǒng)模塊化設(shè)計提供了基 礎(chǔ)，增加了冷原子物理系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性、可擴展性和探測性，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，安裝 和調(diào)節(jié)方便，而且調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)定性好。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于磁光阱、光阱及其它結(jié)構(gòu)冷原子物理實驗系統(tǒng)的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，包 括激光導(dǎo)入系統(tǒng)、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和探測系統(tǒng)并由一支架連接而成，其特征在于所述的激光導(dǎo)入系統(tǒng)，自上而下由依次的光纖輸入頭、六維調(diào)整架和分束器構(gòu)成， 所述的光纖輸入頭安裝在所述的六維調(diào)整架上；所述的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)位于所述的分束器的一側(cè)，沿該分束器的反射光路，由依次 的擴束的凹透鏡、準(zhǔn)直凸透鏡組和可變光闌組成，所述的準(zhǔn)直凸透鏡組由第一凸透鏡和第 二凸透鏡構(gòu)成；所述的探測系統(tǒng)由光電管和顯示器組成，所述的光電管位于所述的分束器的另一側(cè)，即與所述的反射光路相反的方向的一側(cè)，所述的光電管通過光電管座固定在所述的支 架上，所述的光電管通過接線與所述的顯示器相連；傳輸激光的光纖插入所述的光纖輸入頭中，通過調(diào)節(jié)所述的六維調(diào)整架，調(diào)節(jié)激 光的入射角度和入射點的空間位置，使激光入射點在分束器的反射面所成的像與所述的凸 透鏡組、凹透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點重合，并位于所述的光電管的感光面上。所述的支架上與磁光阱、光阱的原子俘獲區(qū)連接的一端沿所述的支架的縱向開設(shè) 有多條磁路隔離縫。在所述的支架上所述的多條磁路隔離縫的圓筒體外固定有一個磁場線圈。在所述的可變光闌上貼設(shè)有λ /2波片(5)本發(fā)明的技術(shù)效果如下1、本發(fā)明增設(shè)了可調(diào)節(jié)激光入射點的六維調(diào)整架和探測系統(tǒng)，可準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)激光 入射點的位置，可實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)性能。2、本發(fā)明采用倒T形設(shè)計，使得整體更加緊湊，大大縮小的磁光阱/光阱系統(tǒng)占用 空間，更有利于整個冷原子系統(tǒng)磁屏蔽，同時提高冷原子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3、本發(fā)明光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，使得整個冷卻原子實驗系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、小 型化成為可能，使冷原子的俘獲可方便地由一維系統(tǒng)擴展到兩維、三維系統(tǒng)。總之，本發(fā)明為冷原子物理系統(tǒng)模塊化設(shè)計提供了基礎(chǔ)，增加了冷原子物理系統(tǒng) 的可調(diào)節(jié)性、可擴展性和探測性，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，安裝和調(diào)節(jié)方便，而且調(diào)節(jié)精度 高，穩(wěn)定性好。


圖1是本發(fā)明實施例1光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2含磁場線圈的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)中，激光入射點與擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)焦點的關(guān)系圖。圖4是本發(fā)明光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)在一維冷原子俘獲、囚禁、冷卻的光阱裝置中的 使用結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。也是本發(fā)明實施例 1的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，包括激光導(dǎo)入系統(tǒng)、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和 探測系統(tǒng)并由一支架14連接而成所述的激光導(dǎo)入系統(tǒng)，自上而下由依次的光纖輸入頭2、六維調(diào)整架3和分束器7 構(gòu)成，所述的光纖輸入頭2安裝在所述的六維調(diào)整架3上；所述的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)位于所述的分束器7的一側(cè)，沿該分束器7的反射光路，由依 次的擴束的凹透鏡8、準(zhǔn)直凸透鏡組和可變光闌13組成，所述的準(zhǔn)直凸透鏡組由第一凸透 鏡10和第二凸透鏡11構(gòu)成；所述的探測系統(tǒng)由光電管6和顯示器17組成，所述的光電管6位于所述的分束器7的另一側(cè)，即與所述的反射光路相反的方向的一側(cè)，所述的光電管6通過光電管座20固定 在所述的支架14上，所述的光電管6通過接線18與所述的顯示器17相連； 傳輸激光的光纖1插入所述的光纖輸入頭2中，通過調(diào)節(jié)所述的六維調(diào)整架3，調(diào) 節(jié)激光的入射角度和入射點的空間位置，使激光入射點R在分束器7的分光面所成的像R’ 與所述的凸透鏡組、凹透鏡8組成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點S重合，并位于所述的光電管6的感光 面上。請參見圖3。所述的支架14上與磁光阱、光阱的原子俘獲區(qū)連接的一端沿所述的支架14的縱 向開設(shè)有多條隔離縫19。本發(fā)明的實施例2，參見圖2，圖2是本發(fā)明實施例2含磁場線圈的光學(xué)擴束準(zhǔn)直 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。實施例2與實施例1的唯一區(qū)別是在所述的支架14上所述的多條隔 離縫19的圓筒體外固定有一個磁場線圈16。是專供磁光阱使用的。所述的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，在磁光阱/光阱中安裝使用中，有時在所述的可變光 闌13上還要貼設(shè)一塊λ /2波片5。圖4是本發(fā)明光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)在一維磁光阱/光阱(冷原子俘獲、囚禁、冷卻的 光阱)中使用的結(jié)構(gòu)示意圖。一維的磁光阱/光阱由一組擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和一個原子俘獲區(qū)構(gòu)成，如圖1所示，一 組擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，如Si、S2，由螺釘固定在原子俘獲區(qū)的兩個相對位置的真空窗口上，如X 維度的Χ1、Χ2。實際可根據(jù)需要分別在Ζ1、Ζ2、Υ1和與Yl相對的真空窗口上裝上擴束準(zhǔn)直 系統(tǒng)，正交擴展至三維。光纖1旋入到光纖接入頭2中，參見圖1，將光纖接入頭2用螺釘 固定在六維入射調(diào)整架上。所述六維入射調(diào)整架3用螺釘固定于支架14上，可調(diào)節(jié)光纖1 入射光角度及入射點的空間位置，凹透鏡8由與支架配套設(shè)計的第一壓環(huán)9固定，第一凸透 鏡10和第二凸透鏡11用墊圈12隔開，由第二壓環(huán)15固定在支架上。分束器7反射面與 透鏡組光軸成45°，粘合于支架14上。可調(diào)光闌13由支頭螺釘固定在支架14，其大小根 據(jù)需要可調(diào)節(jié)。光電管6粘合在光電管座4上，光電管座由螺釘固定于支架上，光電管6和 顯示屏17之間由導(dǎo)線18連接。整個磁光阱或光阱系統(tǒng)由螺釘固定于原子俘獲區(qū)上。所有 螺釘均為金屬鈦螺釘。磁光阱或光阱俘獲、囚禁、冷卻原子都需要激光與原子相互作用，但實現(xiàn)磁光阱俘 獲原子需要有磁場作用，而光阱是純光學(xué)作用，不需要磁場。根據(jù)具體需要，選擇磁光阱擴 束準(zhǔn)直系統(tǒng)或光阱擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)中的一種。兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上略有區(qū)別磁光阱磁光阱每一個維度由一組擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和原子俘獲區(qū)組成，如圖4所示。 若是三個維度則需要一組帶線圈擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)(圖3)和兩組不帶線圈的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng) (圖2)構(gòu)成，三組系統(tǒng)中軸線成正交安裝。所述帶線圈擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，包括支架14，準(zhǔn)直系 統(tǒng)，擴束系統(tǒng)，探測系統(tǒng)。所述的準(zhǔn)直系統(tǒng)包括光纖輸入頭2、六維入射調(diào)整架3、分束器7 ； 通過調(diào)整所述六維調(diào)整架3調(diào)節(jié)入射光的角度和入射點的空間位置。所述的擴束系統(tǒng)由焦 距為-17mm的凹透鏡8、墊圈9、凸透鏡組、墊圈12、可變光闌13共同組成。所述的凸透鏡 組由兩個非球面焦距分別為74mm凸透鏡10和130mm的凸透鏡11和墊圈12組成，這是為 了消除球差。所述的探測系統(tǒng)由分束器7、光電管6、光電管座4、接線18和顯示器17組成。 所述的系統(tǒng)支架14與原子俘獲區(qū)連接處開有小縫19，用來切斷支架中的磁力線。帶線圈擴 束準(zhǔn)直系統(tǒng)是在所述不帶線圈的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了磁場線圈16構(gòu)成。根據(jù)需要選擇擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)按上述位置安裝。光阱與磁光阱結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于三組擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)均可選用不帶線圈的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)。在本發(fā)明中，光阱擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)也可以使用磁光阱的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，使用時磁場 線圈16不通電。本發(fā)明的工作過程如下以線丄線偏振梯度冷卻為例，線丄線偏振梯度冷卻中所用的三組激光是線偏振 光，根據(jù)需要選用三個相應(yīng)激光波長的λ /2波片5粘合分別在粘合在三個不同維度的光闌 上。線丄線偏振梯度冷卻工作過程，一束線具有特定偏振角度的激光從光纖1由光纖 接入頭2入射到系統(tǒng)，入射后經(jīng)過分束器7反射，入射到凹透鏡，發(fā)散后進入到凸透鏡組，經(jīng) 過凸透鏡組折射后激光束光斑半徑增大。通過調(diào)節(jié)六維入射調(diào)整架，調(diào)節(jié)激光入射的角度和入射點的空間位置，如圖三所 示，使激光入射點R在分束器7的反射面所成的像R’與凸透鏡組、凹透鏡8組成的光學(xué)系 統(tǒng)的焦點S重合，使得激光經(jīng)過擴束以后仍然是平行光束。激光被擴束以后，根據(jù)實驗需要 選擇適當(dāng)大小的可變光闌13，激光經(jīng)過可變光闌13以后光斑大小變?yōu)榭勺児怅@通光孔大 小。設(shè)此時激光偏振方向為水平，通過λ/2波片5后，偏振方向變?yōu)榕c所述入射光偏振方 向垂直，再依次通過與之相對系統(tǒng)的可變光闌，凸透鏡組、凹透鏡，由于激光偏振方向與所 述入射光垂直，再次到分束器7時，激光束由原來的反射變?yōu)橥干?，匯聚到探測系統(tǒng)的光電 管6上，激光強度信息顯示在顯示屏17中。與之相對的另一系統(tǒng)入射到原子俘獲區(qū)的激光，由于沒有經(jīng)過波片5，依然保持水 平偏振方向，形成一對偏振方向正交的激光對，經(jīng)過俘獲區(qū)后，經(jīng)過波片5、擴束系統(tǒng)、透射 經(jīng)過分束器7，匯聚到光電管6。所述一組系統(tǒng)與另外兩組系統(tǒng)出來的激光對一起，形成三 組相互正交的線丄線激光對。在所述一組具有磁場線圈16的系統(tǒng)中，給磁場線圈16通上相 同大小，方向相反的電流，形成磁勢阱與所述三組線丄線激光共同對原子進行俘獲、囚禁、 冷卻。σ _偏振梯度冷卻與線丄線偏振梯度冷卻原理不同，但工作過程類似。
權(quán)利要求
一種用于磁光阱、光阱及其它結(jié)構(gòu)冷原子物理實驗系統(tǒng)的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，包括激光導(dǎo)入系統(tǒng)、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和探測系統(tǒng)并由一支架(14)連接而成，其特征在于所述的激光導(dǎo)入系統(tǒng)，自上而下由依次的光纖輸入頭(2)、六維調(diào)整架(3)和分束器(7)構(gòu)成，所述的光纖輸入頭(2)安裝在所述的六維調(diào)整架(3)上；所述的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)位于所述的分束器(7)的一側(cè)，沿該分束器(7)的反射光路，由依次的擴束的凹透鏡(8)、準(zhǔn)直凸透鏡組和可變光闌(13)組成，所述的準(zhǔn)直凸透鏡組由第一凸透鏡(10)和第二凸透鏡(11)構(gòu)成；所述的探測系統(tǒng)由光電管(6)和顯示器(17)組成，所述的光電管(6)位于所述的分束器(7)的另一側(cè)，即與所述的反射光路相反的方向的一側(cè)，所述的光電管(6)通過光電管座(20)固定在所述的支架(14)上，所述的光電管(6)通過接線(18)與所述的顯示器(17)相連；傳輸激光的光纖(1)插入所述的光纖輸入頭(2)中，通過調(diào)節(jié)所述的六維調(diào)整架(3)，調(diào)節(jié)激光的入射角度和入射點的空間位置，使激光入射點(R)在分束器(7)的反射面所成的像(R’)與所述的凸透鏡組、凹透鏡(8)組成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(S)重合，并位于所述的光電管(6)的感光面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，其特征在于所述的支架(14)上與磁光 阱、光阱的原子俘獲區(qū)連接的一端沿所述的支架(14)的縱向開設(shè)有多條隔離縫(19)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，其特征在于在所述的支架(14)上所述 的多條隔離縫(19)的圓筒體外固定有一個磁場線圈(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，其特征在于在所述的可變 光闌(13)上貼有一塊λ/2波片(5)。
全文摘要
一種用于磁光阱、光阱及其它結(jié)構(gòu)冷原子物理實驗系統(tǒng)的光學(xué)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)，包括激光導(dǎo)入系統(tǒng)、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和探測系統(tǒng)并由一支架連接而成，本發(fā)明為冷原子物理系統(tǒng)模塊化設(shè)計提供了基礎(chǔ)，增加了冷原子物理系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性、可擴展性和探測性，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，安裝和調(diào)節(jié)方便，而且調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)定性好。
文檔編號G02B7/00GK101806946SQ20101011833
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者劉亮, 呂德勝, 屈求智, 汪斌, 趙劍波 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所