折叠光路激光冷却原子装置专利检索- 粒子或电离辐射的处理装置如聚焦或慢化专利检索查询-专利查询网

折叠光路激光冷却原子装置
申请号	CN201410578787.X	申请日	2014-10-24	公开(公告)号	CN104464869A	公开(公告)日	2015-03-25
申请人	中国科学院上海光学精密机械研究所;			发明人	屈求智; 叶美凤; 赵剑波; 汪斌; 吕德胜; 刘亮;
摘要	一种折叠光路激光冷却原子装置，主要由真空十四面体、冷却光源组件、反射镜组件、中转镜组件以及反亥姆赫兹磁场线圈构成，本发明集激光扩束准直系统、折叠光路、偏振变换系统、反亥姆赫兹磁场线圈和光功率实时监测于一体，将传统激光冷却磁光阱所需的六路激光减少为两路激光，最大程度的缩小光机系统的体积和重量，简化空间拓扑结构，光机系统力学性能和热环境适应性能极好，可适用于航天级别的严酷环境。本发明样品已经通过了航天级力学振动试验、力学冲击试验、热循环试验和热真空试验等环模考验，能保持长期稳定工作，可作为激光冷原子应用工程的核心光机装置。
权利要求	1.一种折叠光路激光冷却原子装置，特征在于该装置由真空十四面体、第一冷却光源组件、第二冷却光源组件、B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件、A’反射镜组件、第一中转镜组件、第二中转镜组件构成，所述的真空十四面体是由一个正方体沿十二条边的中点连线切割去掉八个顶点，再沿各表面对角线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成的腔体，原正方体余下的六个两两正对的正方形A平面、A’平面、B平面、B’平面、C平面、C’平面的光窗分别称为A光窗、光A’窗、B光窗、B’光窗、C光窗、C’光窗，所述的第一冷却光源组件和第二冷却光源组件具有相同的结构，包括光纤底座和激光扩束准直系统，所述的激光扩束准直系统由平凹透镜和非球面镜组成，沿所述的激光扩束准直系统的中轴线从上至下依次是光电管、偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片和反射光阑并通过波片压圈、光源基座和光源法兰组装而成，所述的冷却光源的光纤底座的中轴线与激光扩束准直系统中轴线相互垂直，所述的第一冷却光源组件和第二冷却光源组件通过光源法兰分别安装在所述的真空十四面体的B’平面和A平面的外表面上，所述的B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件和A’反射镜组件具有相同的结构，由反射镜支座、反射镜、λ/4波片组成，所述的反射镜支座外还具有供反亥姆赫兹线圈缠绕的线圈卡槽，所述的B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件和A’反射镜组件分别安装在所述的B平面、C’平面、C平面、A’平面；两个三角面的外表面上分别安装第一中转反射镜组件、第二中转反射镜组件；满足下列光路连接关系：由所述的第一冷却光源组件的光纤输入的激光经偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片、反射光阑、B’光窗、B光窗、λ/4波片、B反射镜、第一中转反射镜、C’反射镜、λ/4波片、C’光窗、C光窗、λ/4波片、C反射镜、第二中转反射镜、A’反射镜、λ/4波片、A’光窗、A光窗、反射光阑、λ/4波片、非球面透镜、平凹透镜、透过偏振分束器输出，由第二冷却光源组件的光纤输入的激光经偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片、反射光阑、A光窗、A’光窗、λ/4波片、A’反射镜、第二中转反射镜、C反射镜、λ/4波片、C光窗、C’光窗、λ/4波片、C’反射镜、第一中转反射镜、B反射镜、λ/4波片、B光窗、B’光窗、反射光阑、λ/4波片、非球面透镜、平凹透镜、透过偏振分束器输出。 2.根据权利要求1所述的折叠光路激光冷却原子装置，特征在于所述的反射光阑为圆环形反射光阑。 3.根据权利要求1或2所述的折叠光路激光冷却原子装置，特征在于所有光学元件主要为圆形和椭圆形玻璃镜片，均采用专业航空用环氧结构胶按特定的厚度粘贴固化。
说明书全文	折叠光路激光冷却原子装置技术领域 [0001] 本发明涉及是激光冷却原子，特别是一种折叠光路激光冷却原子装置。背景技术 [0002] 现代冷原子物理已经从科学实验逐渐转向工程应用，激光冷却原子技术已经走出地面固定实验室，转而在可搬运、可移动的科研或工程平台上应用，甚至应用于航空航天领域。例如在空间冷原子频标中,需要在空间微重力条件下利用6束正交对射的单频激光将6 －6 大于10量级的原子数俘获、囚禁并冷却至超低温度(10 K量级)，作为空间冷原子钟的工作介质。为了满足火箭发射条件、适应航天恶劣环境，上天设备需要尽可能的小型化、轻型化、集成化，同时要具备高稳定性和高可靠性，因此，激光冷却实验技术需要设计全新的工程化光机系统。 [0003] 激光冷却囚禁原子的工作原理是用电磁场和激光共同作用在真空腔内形成磁光阱，或是只利用激光作用在真空腔内形成全光学阱，利用单频激光与真空腔内原子气体相互作用，并使原子不断在其超精细能级结构之间跃迁而损耗内能，逐步冷却至超低温度。 [0004] 由于原子超精细能级结构对磁场十分敏感，整个原子冷却过程中需要严格屏蔽外界磁场和地磁场的影响。通常采用的方法是用多层磁屏蔽桶将激光冷却系统包覆起来，从而隔绝外部磁场对内部系统的影响。由于磁屏蔽材料(玻莫合金)密度很大，在多层的条件下占用的重量资源很多，因此磁屏蔽桶的直径越小越好，同时为了保证磁屏蔽的性能，磁屏蔽外壳要尽可能保持全封闭状态，这就对磁屏蔽内部的光机结构提出了严苛的空间和体积约束。 [0005] 如图1所示，在激光冷却磁光阱技术中，为了捕获大量原子，需要向真空腔内部输入6束大孔径(通常>15mm)的准直圆偏振激光束。显然，将激光整形扩束后从自由空间进入到真空腔中的方法由于磁屏蔽的阻隔而不能实现，只能通过光纤将激光输入到磁屏蔽内部，再经过准直扩束后进入真空腔的办法。然而，由于大孔径准直光束要求的光学扩束装置必需要有一定的长度和体积才能实现，采用6路光纤准直放大系统会使得内部光机系统非常拥挤和繁冗，限制了整个系统的进一步压缩体积和重量。另外，为了使6路激光保持良好的正交性，传统激光冷却技术中通常采用可调节的光纤入射准直系统，但是可调节的弹性机械结构会带来可靠性和稳定性方面的缺陷，无法通过航天级别的力学振动、冲击试验和热环模试验，也就无法适应各种恶劣环境。因此，为了满足工程应用的需求，新型的激光冷却系统需要简化光机系统设计，并根据航天工程要求进行安全性可靠性设计。发明内容 [0006] 为了克服上述现有激光冷却系统的缺陷，本发明提供一种折叠激光冷却光机装置。该装置集激光扩束准直系统、折叠光路、偏振变换系统、反亥姆赫兹磁场线圈和光功率实时监测于一体，利用折叠光束技术，仅用2路入射光，通过多次反射实现6路正交光束的效果，再结合相应的偏振控制技术，可在超高真空腔内形成磁光阱或全光阱。 [0007] 本发明的技术解决方案如下： [0008] 一种折叠光路激光冷却原子装置，特点在于该装置由真空十四面体、第一冷却光源组件、第二冷却光源组件、B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件、A’反射镜组件、第一中转镜组件、第二中转镜组件构成，所述的真空十四面体是由一个正方体沿十二条边的中点连线切割去掉八个顶点，再沿各表面对角线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成的腔体，原正方体余下的六个两两正对的正方形A平面、A’平面、B平面、B’平面、C平面、C’平面的光窗分别称为A光窗、光A’窗、B光窗、B’光窗、C光窗、C’光窗， [0009] 所述的第一冷却光源组件和第二冷却光源组件具有相同的结构，包括光纤底座和激光扩束准直系统，所述的激光扩束准直系统由平凹透镜和非球面镜组成，沿所述的激光扩束准直系统的中轴线从上至下依次是光电管、偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片和反射光阑并通过波片压圈、光源基座和光源法兰组装而成，所述的冷却光源的光纤底座的中轴线与激光扩束准直系统中轴线相互垂直，所述的第一冷却光源组件和第二冷却光源组件通过光源法兰分别安装在所述的真空十四面体的B’平面和A平面的外表面上，所述的B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件和A’反射镜组件具有相同的结构，由反射镜支座、反射镜、λ/4波片组成，所述的反射镜支座外还具有供反亥姆赫兹线圈缠绕的线圈卡槽，所述的B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件和A’反射镜组件分别安装在所述的B平面、C’平面、C平面、A’平面；两个三角面的外表面上分别安装第一中转反射镜组件、第二中转反射镜组件；满足下列光路连接关系： [0010] 由所述的第一冷却光源组件的光纤输入的激光经偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片、反射光阑、B’光窗、B光窗、λ/4波片、B反射镜、第一中转反射镜、C’反射镜、λ/4波片、C’光窗、C光窗、λ/4波片、C反射镜、第二中转反射镜、A’反射镜、λ/4波片、A’光窗、A光窗、反射光阑、λ/4波片、非球面透镜、平凹透镜、透过偏振分束器输出，由第二冷却光源组件的光纤输入的激光经偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片、反射光阑、A光窗、A’光窗、λ/4波片、A’反射镜、第二中转反射镜、C反射镜、λ/4波片、C光窗、C’光窗、λ/4波片、C’反射镜、第一中转反射镜、B反射镜、λ/4波片、B光窗、B’光窗、反射光阑、λ/4波片、非球面透镜、平凹透镜、透过偏振分束器输出。 [0011] 所述的反射光阑为圆环形反射光阑。 [0012] 所有光学元件主要为圆形和椭圆形玻璃镜片，均采用专业航空用环氧结构胶按特定的厚度粘贴固化。 [0013] 本发明创新点在于： [0014] 1)基于实际真空十四面体设计制作了最短光程的折叠光路系统； [0015] 2)制作了全新的超短型激光准直扩束系统； [0016] 3)设计了独特的反射光阑分波前系统，消除了入射激光偏振度不稳定的影响，可以准确可靠的监控实际输出光的光强。 [0017] 4)开发了满足磁光阱需求的激光偏振控制系统，克服了圆偏振光反射时不能保持偏振度所带来的困难； [0018] 5)将磁场线圈和光路系统一体化设计，既节省了线圈占用的空间体积，又确保了磁场中心和光场中心自然重合，满足磁光阱的要求； [0019] 6)采用专业胶粘技术和消热设计实现稳定可靠的光机装配，使系统在装调固化后可达到很高的力学抗震性和热适应性； [0020] 本发明与一般激光冷却装置相比，整个光机系统结构极为紧凑，光学元件和机械零部件均大为减少，冷却系统的光机装置占用的空间压缩到了极致，更有利于整个冷原子系统的磁屏蔽，实现了激光冷却原子系统的小型化、轻量化和功能集成化。本发明通过了航天级别的力学、热学环境试验测试和寿命测试，结果表明该装置具有很高的可靠性和稳定性，可以在移动冷原子设备中长期使用。附图说明 [0021] 图1是磁光阱工作原理示意图 [0022] 图2是本发明折叠光路激光冷却装置机械示意图 [0023] 图3是折叠光路走向示意图 [0024] 图4是冷却光源组件结构剖视图 [0025] 图5是冷却光源组件正视图 [0026] 图6是反射镜组件结构示意图一 [0027] 图7是反射镜组件结构示意图二 [0028] 图8是冷却光源激光准直扩束组件的光学示意图具体实施方式 [0029] 先请参阅图1，图1是磁光阱工作原理示意图，本发明折叠光路激光冷却原子装置的核心内容是由两路光纤输入准直扩束组件和六个反射组件组成一个冷却原子折叠光路系统，图2为本发明折叠光路激光冷却原子装置机械示意图，图3为本发明光路走向示意图，详细说明如下： [0030] 本发明折叠光路激光冷却原子装置，由真空十四面体1、第一冷却光源组件2、第二冷却光源组件3、B反射镜组件4、C’反射镜组件5、C反射镜组件6、A’反射镜组件7、第一中转镜组件8、第二中转镜组件9构成，所述的真空十四面体1是由一个正方体沿十二条边的中点连线切割去掉八个顶点，再沿各表面对角线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成的腔体，原正方体余下的六个两两正对的正方形A平面、A’平面、B平面、B’平面、C平面、C’平面的光窗分别称为A光窗、光A’窗、B光窗、B’光窗、C光窗、C’光窗， [0031] 所述的第一冷却光源组件2、第二冷却光源组件3具有相同的结构，包括光纤底座10和激光扩束准直系统，所述的激光扩束准直系统由平凹透镜12和非球面镜13组成，沿所述的激光扩束准直系统的中轴线从上至下依次是光电管19、偏振分束器11、平凹透镜12、非球面透镜13、λ/4波片15和反射光阑14并通过波片压圈16、光源基座17和光源法兰 18组装而成，所述的冷却光源的光纤底座10的中轴线与激光扩束准直系统中轴线相互垂直，所述的第一冷却光源组件2和第二冷却光源组件3通过光源法兰18分别安装在所述的真空十四面体1的B’平面和A平面的外表面上，所述的B反射镜组件4、C’反射镜组件5、C反射镜组件6和A’反射镜组件7具有相同的结构，由反射镜支座20、反射镜21、λ/4波片22组成，所述的反射镜支座20外还具有供反亥姆赫兹线圈缠绕的线圈卡槽24，所述的B反射镜组件4、C’反射镜组件5、C反射镜组件6和A’反射镜组件7分别安装在所述的B平面、C’平面、C平面、A’平面的外表面；两个三角面的外表面上分别安装第一中转反射镜组件8、第二中转反射镜组件9；如图3所示，满足下列光路连接关系： [0032] 由所述的第一冷却光源组件2的光纤输入的激光经偏振分束器11、平凹透镜12、非球面透镜13、λ/4波片15、反射光阑14、B’光窗、B光窗、λ/4波片22、B反射镜、第一中转反射镜、C’反射镜、λ/4波片22、C’光窗、C光窗、λ/4波片22、C反射镜、第二中转反射镜、A’反射镜、λ/4波片22、A’光窗、A光窗、反射光阑14、λ/4波片15、非球面透镜13、平凹透镜12、透过偏振分束器11输出， [0033] 由第二冷却光源组件3的光纤输入的激光经偏振分束器11、平凹透镜12、非球面透镜13、λ/4波片15、反射光阑14、A光窗、A’光窗、A’反射镜、第二中转反射镜、C反射镜、λ/4波片22、C光窗、C’光窗、λ/4波片22、第一中转反射镜、B反射镜、λ/4波片22、B光窗、B’光窗、反射光阑14、λ/4波片15、非球面透镜13、平凹透镜12、透过偏振分束器11输出。 [0034] 冷却光源组件是一套集成了光纤输入基座、激光准直扩束系统和光强实时监测器的装置，如图4、图5所示。入射光纤通过可插拔单模光纤底座10将冷却原子所需单模激光输入，经偏振分束器11分束，其中P分量的线偏振光垂直入射光出射，成为折射光，而S分量的线偏振光则沿原方向出射，成为透射光。折射的P分量光首先经过平凹透镜12进一步扩大数值孔径，再由非球面透镜13校准成大口径准直激光输出。 [0035] 一般光强监测的方法是监测入射激光通过偏振分束器PBS11分束后的透射分量(即S分量)，然后经过分光比标定出P分量的光强大小。但是，这种办法由于PBS分光比受输入光偏振度不稳定的影响，测量结果也不稳定，而且，在一般情况下，S分量由于是无用光，光强越小越好，但此时测量结果受激光偏振度的影响就越大，通过S分量光强推算P分量光强的测量误差也相应增大。为此，本发明特别设计了环形反射光阑14，环形反射光阑一方面可控制实际输出光束的口径，另一方面可将出射光边缘部分无用光沿原路回射，并再次经过λ/4波片15，转变为S方向线偏振光，回射时先经过激光准直扩束系统缩束，至偏振分束器PBS11后透射而出，在会聚焦点处由光电管19接收，得到的光强大小正比于冷却光源实际输出激光的光强大小。这种方法首先消除了原输入光偏振度不稳定的影响，即测量结果与偏振分束器PBS11的分光比无关。其次，测量的光强正比于实际使用光强，信号强度通常比较大，远高于光电管的最小分辨率，因而使得测量结果准确而可靠。 [0036] 图8是冷却光源激光准直扩束组件的光学结构示意图，冷却光源激光准直扩束组件由偏振分束棱镜11、平凹透镜12和非球面透镜13组成。输入条件为激光波长λ、单模光纤的数值孔径NA和准直光束的直径，以总长度L为约束条件设计加工而成。 [0037] 本发明的激光偏振控制系统由第一冷却光源、第二冷却光源上的两个偏振分束器和四套反射镜上的6个1/4波片组成，偏振度控制原则是：激光束在真空腔外以线偏振方式传播，在真空腔内部以图1所示的圆偏振方式传播，举例如下，如图3所示：一束入射激光经过第二冷却光源3内部偏振分束器11，折射光为P分量的线偏振光扩束准直后再经过1/4波片15变换为圆偏振光，沿十四面体1的面A入射到真空腔内，出射时经过A’反射镜7的1/4波片22又转换为线偏振光，在真空腔外历经第二中转反射镜9到达C反射镜6，又被C反射镜6上的1/4波片22转换为所需的圆偏振光第二次入射到真空腔内，同理依次经过C’反射镜5、第一中转反射镜和B反射镜4第三次以圆偏振光入射到真空腔内，最后终止于第一冷却光源2。根据菲涅尔反射定律，圆偏振光在介质表面反射时其反射光偏振度将随入射角变化而变化，如果入射角不等于布儒斯特角，反射光将变为相应的椭圆偏振光，导致不能满足激光冷却技术的需要。因此，采用本设计使整个传播过程中激光处于圆偏振状态时不经过任何反射，就能有效的确保激光偏振度的稳定性和可操纵性。 [0038] 本发明的另外一个创新之处是将磁光阱所需要的反亥姆赫兹线圈组与C’反射镜5、C反射镜6一体化设计，如图6、图7所示，线圈卡槽24可缠绕导线，使其产生的磁场中心与6束激光对射中心自然重合，通以适当的电流，即可满足磁光阱需求。 [0039] 本发明所用的光学元件主要为圆形和椭圆形玻璃镜片，为保证光学元件的力学性能和热性能，均采用专业航空用环氧结构胶，其胶层厚度te由以下公式确定： [0040] te＝(DG/2)(αM－αG)/(αe－αG) [0041] 式中，αG和αM分别是光学镜片和镜座的热膨胀系数，αe是胶层的有效热膨胀系数。采用这种方法，在胶层固化后，可以近似地认为组件在径向是消热的，即在温度变化时由于透镜、镜座和胶层具有不同的径向膨胀或收缩，使其在光机元件内形成的应力减至最小。 [0042] 本发明集激光扩束准直系统、折叠光路、偏振变换系统、反亥姆赫兹磁场线圈和光功率实时监测于一体，将传统激光冷却磁光阱所需的六路激光减少为两路激光，最大程度的缩小光机系统的体积和重量，简化空间拓扑结构，光机系统力学性能和热环境适应性能极好，可适用于航天级别的严酷环境。本发明样品已经通过了航天级力学振动试验、力学冲击试验、热循环试验和热真空试验等环模考验，能保持长期稳定工作，可作为激光冷原子应用工程的核心光机装置。

意见反馈