一种反射分束器及小型冷原子系统装置 |
|||||||
| 申请号 | CN202311742786.X | 申请日 | 2023-12-18 | 公开(公告)号 | CN117854795A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 中国科学院上海光学精密机械研究所; | 发明人 | 杨晓飞; 王俊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种反射分束器及其应用，属于冷 原子 传感领域。本发明将光纤 耦合器 、光束 准直 透镜组、半波片组件、1/4玻片组件、光阑组件、反亥姆霍兹线圈、微型 真空 腔室、衍射光栅芯片、 支架 装置集成形成小型冷原子系统装置，实现衍射光栅芯片磁光阱俘获冷原子团及进一步的量子精密测量。本发明具有单光束输入、芯片化、小型化、可移动特点，再与多种 光源 模 块 及微型 泵 组结合，实现小型便携式的冷原子团束缚功能。此外，本发明将单束输入光束通过衍射光栅芯片实现多束衍射光束，两种光束形成冷却光阱，并与反亥姆霍兹线圈形成的磁阱结合，实现小型磁光阱，本发明具有光路对准简单、体积小、易于集成和鲁棒性好的优势。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种反射分束器，包括光纤耦合器(1)、光束准直透镜组件(2)、半波片组件(3)、1/4玻片组件(4)、光阑组件(5)和衍射光栅芯片(9)，用于小型冷原子装置，可使光源激光产生三束正一级衍射光束与主光束相交于光束交汇点，形成四束平衡光场,其特征在于，光源激光依次经过光纤耦合器(1)、光束准直透镜组(2)、半波片组件(3)、1/4玻片组件(4)、光阑组件(5)、到达衍射光栅芯片(9)； |
||||||
| 说明书全文 | 一种反射分束器及小型冷原子系统装置技术领域背景技术[0002] 冷原子传感系统是以冷原子、超冷原子甚至玻色‑爱因斯坦凝聚(Bose‑Einstein Condensate,BEC)为传感介质，通过光场、磁场与冷原子介质相互作用，进行超高精度、超低漂移的量子精密测量平台。冷原子传感系统包含高功耗磁光阱冷却系统、大型真空腔室、探测和时序控制等复杂设备，导致其体积和重量庞大、功耗高，难以满足野外环境应用需求。因此，减小冷原子传感系统的尺寸和重量，降低其功耗和光学器件的自由度，实现小型化、便携式、可移动冷原子传感系统，是该领域的国际研究前沿。冷原子传感系统关键技术之一是磁光阱，传统三维磁光阱结构需要六束两两对射的激光，以及大尺寸的亥姆霍子线圈，其结构复杂、功耗高、自由度高、难以实现小型化，严重限制冷原子传感系统的实际应用。 [0003] 为实现冷原子系统的小型化，近年来科研人员提出应用于磁光阱的衍射光栅芯片，专利CN113960706A中实现了一种平面光栅及单束光入射的三维磁光阱系统，但是缺少入射光束模式和尺寸的装调；专利CN114325930A中实现了一种三角排布式光栅磁光阱的激光复用装置，但是缺少冷原子的探测和装调；专利CN114530270A中实现了一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，但是未减少激光束的数量。 [0004] 本发明针对现有技术存在的关键应用问题，提出一种小型冷原子系统反射分束器光束装调方法及装置。实现了单光束输入、入射光束可调、以及光束重叠区的可调的装调方案，并将其与小型反亥姆霍兹磁线圈、小型真空系统相结合，实现一种衍射光栅的小型冷原子系统。本发明可应用于小型化、便携式冷原子干涉仪、重力仪、陀螺仪等量子精密测量系统。 发明内容[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下： [0006] 首先提供一种应用于小型冷原子装置的反射分束器，包括光纤耦合器、光束准直1 透镜组件、半波片组件、/4玻片组件、光阑组件、和衍射光栅芯片，用于小型冷原子装置，可使光源激光产生三束正一级衍射光束与主光束相交于光束交汇点，形成四束平衡光场,光 1 源激光依次经过光纤耦合器、光束准直透镜组、半波片组件、/4玻片组件、光阑组件、到达衍射光栅芯片； [0007] 所述光束准直透镜组(2)包括准直镜(211)、扩束镜(213)，实现光源激光的准直扩束； [0008] 所述半波片组件包括可旋转调节的半波片，实现将光源激光光束转换为线偏振光； [0009] 所述1/4玻片组件包括可旋转调节的1/4玻片、实现将线偏振光束转换为左旋或右旋圆偏振光； [0010] 所述光阑组件包括光阑，实现调节光束光斑直径尺寸；通过光阑组件的主光束垂直入射到衍射光栅芯片上，产生三束正一级衍射光束与主光束相交于光束交汇点，形成四束平衡光场； [0011] 所述半波片光轴与1/4玻片的光轴相差45°； [0012] 所述三束正一级衍射光束彼此呈正分布且与竖直主光束方向呈55.3°； [0013] 所述衍射光栅芯片光栅周期d小于2倍入射光源激光波长λ。 [0014] 所述衍射光栅芯片(9)光栅周期d＝1.4μm，所述光源激光为冷却激光和再泵浦激光。 [0015] 优选的，所述光源激光波长λ为780nm。 [0016] 再提供一种包含上述反射分束器的小型冷原子装置，还包括光源激光、线圈组件和真空组件；所述线圈组件包括第一反亥姆霍兹线圈和第二反亥姆霍兹线圈；第一反亥姆霍兹线圈位于所述反射分束器光束交汇点上方；第二反亥姆霍兹线圈位于所述反射分束器光束交汇点下方，且两线圈相对所述反射分束器光束交汇点呈上下对称分布；第一反亥姆霍兹线圈与第二反亥姆霍兹线圈可形成四极束缚磁场；所述四极束缚磁场中心与所述反射分束器光束交汇点重合；所述真空组件包括由透明材质构成的真空腔室、所述真空腔室设置于所述线圈组件形成的四级束缚磁场内，位于第一反亥姆霍兹线圈与第二反亥姆霍兹线圈之间；所述真空组件还包括转接法兰、离子泵、热原子发生器；所述真空腔室通过转接法兰连通有离子泵和热原子发生器。 [0017] 所述转接法兰通过四通腔连通离子泵和热原子发生器；所述四通腔还连通有关断阀，可实现真空腔室与离子泵之间的通道关断。 [0018] 所述第一反亥姆霍兹线圈、第二反亥姆霍兹线圈均与主光束同轴，电流源驱动后，第一反亥姆霍兹线圈内电流与第二反亥姆霍兹线圈内电流相反，电流大小保持相同。 [0019] 优选的，所述真空腔室为石英玻璃材质。 [0020] 优选的，所述真空腔室的真空度为10‑7Pa。 [0021] 所述第一反亥姆霍兹线圈(10)与第二反亥姆霍兹线圈(13)的位置均可上下调节。 [0022] 可选的，所述小型冷原子装置还包括第一观测相机(161)、第二观测相机(162)、第三观测相机(163)，分别正对三束正一级衍射光束的反射光，用以监测三束正一级衍射光束的光强、偏振和位置。附图说明 [0023] 图1是本发明反射分束器光束装调装置光路示意图； [0024] 图2是本发明小型冷原子系统装置示意图； [0025] 图3是本发明小型冷原子系统装置的观测调节装置示意图； [0026] 图4是所述真空组件； [0027] 图5是所述热原子发生器 [0028] 图1中：1‑光纤耦合器，2‑光束准直透镜组，3‑半波片组件，4‑1/4波片组件，5‑光阑组件，6‑主光束，7‑光束交汇点，8‑反射衍射光束集，9‑衍射光栅芯片，10‑第一反亥姆霍兹线圈，11‑线圈支架，12‑微型真空腔室，13‑第二反亥姆霍兹线圈，14‑基座，15‑系统支撑柱，16‑观测相机，17‑四极束缚磁场，18‑玻璃金属转接法兰，19‑离子泵，20‑关断阀，21‑四通腔，22‑热原子发生器 具体实施方式[0029] 下面结合附图对本发明进一步限定但不应以此限制本发明保护范围。 [0030] 如图1至图4所示，本实施例公开的一种小型冷原子系统反射分束器装置，图1反射分束器，图2小型冷原子系统装置，图3小型冷原子系统装置的观测调节装置，图4真空组件。 [0031] 所述反射分束器如图1所示，包括光纤耦合器1、光束准直镜211、光束扩束镜213、1 半波片311、/4玻片411、光阑511、和衍射光栅芯片9构成。 [0032] 光源激光依次经过光纤耦合器1、光束准直镜211、光束扩束镜213、半波片311、1/4玻片411和光阑511，到达衍射光栅芯片9。 [0033] 所述激光经过光纤耦合器1入射到光束准直镜211，形成直径为10mm的准直光束，准直光束入射到光束扩束镜213，形成直径为15mm的扩束光束，扩束光束入射到半波片311，1 形成线偏振光束，线偏振光束入射到/4玻片411，转换为左旋(或右旋)圆偏振光(其中保证 1 半波片311光轴与/4玻片411的光轴相差45°)，左旋(或右旋)圆偏振光入射到光阑511后，根据光阑511的光圈的大小(光圈数值φ0～φ42mm)，可以将圆偏振光束转换为直径为20mm的主光束6。 [0034] 主光束6入射到衍射光栅芯片9上，经衍射光栅芯片9衍射形成与竖直方向成55.3°的三束反射衍射光束集8，分别为第一反射正一级衍射光束811、第二反射正一级衍射光束812和第三反射正一级衍射光束813，主光束6的直径小于或等于衍射光栅芯片9的直径 26mm。 [0035] 根据光栅衍射Bragg方程dsinθ＝mλ，其中，θ为衍射角，d为光栅的周期，m为整数，λ为入射光波长。二级及以上高级次衍射光束要被抑制需满足|m|＜2，即m＝±1，由上式可得d＜2λ(d＝1.4μm，λ＝780nm)。即光栅周期d小于2倍入射光波长λ，可保证垂直入射光通过光栅衍射后除零级光和正负一级衍射光以外的高级次衍射光都被抑制。 [0036] 根据三角函数关系，衍射光栅半径R为13mm，衍射角θ为55.3°，可得光束交汇点7的最高点h＝R/tanθ＝9mm。 [0037] 所述光纤耦合器1将光源激光光束耦合到光束准直透镜组2，其中光源激光包括冷却激光和再泵浦激光； [0038] 所述小型冷原子系统装置如图2所示，包括光源激光、反射分束器、线圈组件和真空组件； [0039] 所述反射分束器包括包括光纤耦合器1、光束准直透镜组2、半波片组件3、1/4玻片组件4、光阑组件5、和衍射光栅芯片9； [0040] 所述线圈组件包括第一反亥姆霍兹线圈10、线圈支架11、第二反亥姆霍兹线圈13、基座14和系统支撑柱15； [0041] 所述真空组件如图4所示，包括微型真空腔室12、玻璃金属转接法兰18、CF16接头的2L/s离子泵19、关断阀20、四通腔21、热原子发生器22； [0042] 光源激光依次经过光纤耦合器1、光束准直透镜组2、半波片组件3、1/4玻片组件4、光阑组件5、第一反亥姆霍兹线圈10、微型真空腔室12、到达衍射光栅芯片9； [0043] 所述光束准直透镜组2包括准直镜211、隔圈212、扩束镜213、隔圈214以及准直镜座215组成，主要功能是实现光源激光的准直扩束； [0044] 所述半波片组件3包括半波片311、半波片镜座312、半波片旋转调节旋钮313、半波片支撑座314构成，功能是将光束转换为线偏振光； [0045] 所述1/4玻片组件4包括1/4玻片411、1/4玻片镜座412、1/4玻片旋转调节旋钮413、1/4玻片支撑座414构成，功能是将线偏振光束转换为左旋(或右旋)圆偏振光； [0046] 所述光阑组件5包括光阑511及光阑镜座512，光阑511安装到光阑镜座512上，功能是调节光束光斑直径尺寸； [0047] 所述第二反亥姆霍兹线圈13设置于基座14上； [0048] 所述第一反亥姆霍兹线圈10设置于光阑组件5与所述第二反亥姆霍兹线圈13之间，所述第一反亥姆霍兹线圈第一接线端子101与外接的电流源相接正极相接，第二反亥姆霍兹线圈第三接线端子131与外接的电流源相接负极相接，第一反亥姆霍兹线圈第二接线端子102与第二反亥姆霍兹线圈第四接线端子132相接，从而形成四极束缚磁场17(电流设置为3安培)； [0049] 所述真空组件的微型真空腔室12为石英玻璃，外壁尺寸：23毫米×23毫米×60毫米，壁厚1.5毫米，将它的一个面12‑1与玻璃金属转接法兰的玻璃端面18‑1用环氧树脂真空胶粘起来，并保证底面中心的小孔与玻璃金属转接法兰玻璃端面18‑1同心。将此真空腔室部分的CF16法兰用M4内六角螺丝固定在四通腔21的左侧； [0050] 所述热原子发生器22，如图5热原子发生器22，将原子源222的两个引脚用真空接线端子固定在融封四根金属接线柱的法兰223的相对的两根接线柱上，将真空吸气剂221的两个引脚用真空接线端子固定在融封四根金属接线柱的法兰223的剩下的两根接线柱上，并保证四个真空接线端子相互不接触，用万用表测试两对引脚的导通性。最后将法兰固定在四通腔21的右侧； [0052] 所述关断阀20，如图4关断阀20，将关断阀用M4内六角螺丝固定在四通腔21的前侧。 [0053] 所述衍射光栅芯片9设置于基座14上,并且设置于所述微型真空腔室12与反亥姆霍兹线圈13之间，并且紧贴微型真空腔室12。 [0054] 本设计的小型冷原子系统装置，根据衍射光栅芯片9的直径尺寸R(本实验装置的衍射光栅芯片直径R尺寸为10mm)，调节光阑组件5的光阑511的直径小于衍射光栅芯片直径2R(15mm)；轻微上下调节第一反亥姆霍兹线圈10的位置，保证第一反亥姆霍兹线圈10与第二反亥姆霍兹线圈13关于光束交汇点7对称，实现第一反亥姆霍兹线圈10与第二反亥姆霍兹线圈13产生四极磁场中心与光束交汇点7重合，从而实现原子的束缚和冷却。 [0055] 所述主光路6是光源激光经过上述光束准直透镜组2、半波片组件3、1/4玻片组件4及光阑组件5后形成的与衍射光栅芯片9尺寸相匹配的光束； [0056] 所述光束交汇点7是入射主光束6与反射衍射光束集形成的光束交汇点； [0057] 所述反射衍射光束集8包括三束或四束反射一级衍射光束，例如第一反射正一级衍射光束811、第二反射正一级衍射光束812以及第三反射正一级衍射光束813，功能是与入射主光路6形成平衡交叉光场；第一反射负一级衍射光束811‑1、第二反射负一级衍射光束812‑2以及第三反射负一级衍射光束813‑3，功能是根据正负一级衍射的对称性，得到正一级衍射光束的光强为50mW； [0058] 所述衍射光栅芯片9功能是实现三束反射衍射光束集8与入射主光束6形成平衡交叉光场； [0059] 所述第一反亥姆霍兹线圈10与第二反亥姆霍兹线圈13是分别设置在线圈支架11和基座14上，所述第一反亥姆霍兹线圈第一接线端子101与外接的电流源相接正极相接，第二反亥姆霍兹线圈第三接线端子131与外接的电流源相接负极相接，第一反亥姆霍兹线圈第二接线端子102与第二反亥姆霍兹线圈第四接线端子132相接(第一反亥姆霍兹线圈和第二反亥姆霍兹线圈中电流设置为3安培)，从而形成四极束缚磁场17； [0060] 所述线圈支架11是用来固定第一反亥姆霍兹线圈10； [0061] 所述基座14功能是固定系统支撑柱15、衍射光栅芯片9以及第二反亥姆霍兹线圈13； [0062] 所述微型真空组件12是石英真空管，其与玻璃金属转接法兰18、CF16接头的2L/s‑7离子泵19、关断阀20、四通腔21、热原子发生器22组合提供高真空环境(真空度为10 Pa)； [0063] 所述系统支撑柱组件15包括第一系统支撑柱151、第二系统支撑柱152、第三系统支撑柱153、第四系统支撑柱154，功能是构建整个系统装置支撑； [0064] 所述小型冷原子系统装置的观测装置如图3所示，包括第一观测相机161、第二观测相机162、第三观测相机163； [0065] 小型冷原子系统装置的观测调节步骤： [0066] 1.将第一观测相机161、第二观测相机162、第三观测相机163分别架起，其中第一观测相机161对准第一负一级衍射光束811‑1、第二观测相机162对准第二负一级衍射光束812‑2、第三观测相机163对准第三负一级衍射光束812‑3，根据正一级衍射光与负一级衍射光的对称性，测得正一级衍射光强度、偏振和位置(50mW、圆偏振光、正一级衍射光束交汇点 7与芯片表面相距约9mm)； [0067] 2.分别调整第一反亥姆霍兹线圈10和所述第二反亥姆霍兹线圈13电流的大小(电流大小为3A)，所述第一反亥姆霍兹线圈第一接线端子101与外接的电流源相接正极相接，第二反亥姆霍兹线圈第三接线端子131与外接的电流源相接负极相接，第一反亥姆霍兹线圈第二接线端子102与第二反亥姆霍兹线圈第四接线端子132相接(第一反亥姆霍兹线圈和第二反亥姆霍兹线圈中电流设置为3安培)，从而形成四极束缚磁场17；微调节第一反亥姆霍兹线圈10与第二反亥姆霍兹线圈13的距离(0～15mm)，所述第一反亥姆霍兹线圈10与所述第二反亥姆霍兹线圈13以光束交汇点7对称，所述第一反亥姆霍兹线圈10与光束交汇点7距离为3mm，所述第二反亥姆霍兹线圈13与光束交汇点7距离为3mm。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈