一种对超冷原子高分辨率成像物镜制造技术

本实用新型专利技术公开一种对超冷原子高分辨率成像物镜，包括物镜透镜组，物镜透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、连接杆和三个透镜框，第一透镜、第二透镜和第三透镜分别嵌设在三个透镜框内，各个透镜框之间通过连接杆连接，物镜透镜组固定于真空腔的真空腔窗口前，第一透镜、第二透镜和第三透镜均共光轴，真空腔窗口中心点以及真空腔内的原子团中心点均在光轴。本实用新型专利技术能够有效地矫正成像过程中的单色像差，可以实现对多种类原子以及不同尺寸的真空腔，尤其是半径超过120毫米的大真空腔内的超冷原子团的高分辨率成像。

【技术实现步骤摘要】
一种对超冷原子高分辨率成像物镜
本技术涉及对一种基于标准目录镜片的一种对超冷原子高分辨率成像物镜，主要用于超冷原子的高分辨成像，尤其是对于大真空腔内的原子。
技术介绍
自1995年在实验室里实现第一团玻色—爱因斯坦凝聚体（BEC）以来，超冷原子物理得到迅速发展。在超冷原子物理研究领域，超冷原子的大部分物理参数需要通过对原子团荧光成像或者吸收成像后将所得到的图像进行进一步数据处理后得到，例如原子团密度、原子数量、动量分布等重要物理参数。成像质量的好坏对于能否更精确全面的提取出实验数据十分重要。对超冷原子团成像的通常方案是通过一片凸透镜对成像光进行收集后再投射到电耦合元件（CCD）上获得成像图像，这种方案虽然简单易行，但是成像质量十分有限，一方面原子团被囚禁在真空腔体中心处，距离真空腔窗口几十个甚至上百毫米不等，所以所有的观测以及成像光的获得必须先通过厚度为几个毫米的真空窗口并且数值孔径有限，真空窗口玻璃的构型为平行平板玻璃，材质通常为紫外熔融石英，成像光透过真空窗口后会引入一定的像差。另一方面单片凸透镜也会对成像引入像差，而且若是只由单片凸透镜成像的话，可以调节的变量只有透镜与真空窗口或者电耦合元件之间的距离，整个成像系统能优化的条件很少，像质提升的局限性很大，所以单片凸透镜的成像系统难以消除像差从而获得高分辨率的成像结果。因此在已经有确定的真空腔体大小和窗口尺寸及材料还有高分辨的电耦合元件摄像镜头情况下，只有对收集成像光的部分也就是透镜处的改善能极大的提高成像分辨率，少数实验室用定制的物镜镜头，但是其成本高，加工精度低，耗时长，适用范围极小。标准目录镜片指的是生产光学元件的公司（例如Thorlabs公司、Newport公司等）长期生产的一系列固定参数和型号的光学透镜，其生产技术成熟，加工精密，质量可靠，品质远高于临时定制的透镜，并且价格低廉、性价比高，多为科研用首选透镜。Zemax是一款可以对光路进行追踪的综合性的光学设计仿真软件，被广泛用于透镜的设计和优化，其功能强大，可设置多变量和根据实际情况自定义优化函数，因此被用于本专利的设计。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问提，本技术提供一种对超冷原子高分辨率成像物镜。对真空腔内的超冷原子团进行高分辨率成像。为了实现上述目标，本技术采取以下技术方案实现：一种对超冷原子高分辨率成像物镜，包括物镜透镜组，物镜透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、连接杆和三个透镜框，第一透镜、第二透镜和第三透镜分别嵌设在三个透镜框内，各个透镜框之间通过连接杆连接，物镜透镜组固定于真空腔的真空腔窗口前，第一透镜的两面分别为第一透镜平面和第一透镜凸面；第二透镜的两面分别为第二透镜平面和第二透镜凹面；第三透镜的两面分别为第三透镜凸面A和第三透镜凸面B；第一透镜、第二透镜和第三透镜均共光轴，真空腔窗口中心点以及真空腔内的原子团中心点均在光轴，第一透镜平面、第一透镜凸面、第二透镜平面、第二透镜凹面、第三透镜凸面A和第三透镜凸面B沿光轴自真空腔一侧到电耦合元件一侧依次分布。如上所述的真空腔窗口为圆形紫外熔融石英板，原子团中心与真空腔窗口内壁在光轴上的距离为121.7毫米，真空腔窗口在光轴上的厚度为3.3毫米，真空腔窗口的直径为35.56毫米，真空腔窗口外壁与第一透镜平面在光轴上的距离为12.84毫米，第一透镜在光轴上的厚度为6.18毫米，第一透镜凸面与第二透镜平面在光轴上的距离为6.86毫米，第二透镜在光轴上的厚度为2.5毫米，第二透镜凹面与第三透镜凸面A在光轴上的距离为7.88毫米，第三透镜在光轴上的厚度为6.62毫米，第一透镜凸面的曲率半径为-103.01毫米，第二透镜凹面的曲率半径为129.2毫米，第三透镜凸面A的曲率半径为179.14毫米，第三透镜凸面B的曲率半径为-179.14毫米。本技术相对于现有技术，具有以下有益效果：1、采用的透镜全部为标准目录镜片，它们质量可靠、廉价易得，极大的节省了科研的时间和成本。2、有效视场半径达到1毫米以上，可以充分地观测到实验中整个超冷原子团以及其时间飞行后的结果。3、在工作距离（第一透镜平面与原子团的距离）达到135毫米时仍具有较高的分辨能力，工作距离足够大，满足实验中对大真空腔内超冷原子团成像的需求。4、有效焦距（有效焦距指的是物镜透镜组的物方主平面到物方焦点的距离，体现的是整个物镜透镜组的聚光本领）可以达到150毫米以上，足够大，满足实验中对大真空腔内超冷原子团成像的需求。5、通光孔径大，第一透镜～第三透镜半径均为25.4毫米，避免了由于透镜尺寸的限制而导致的分辨率下降。6、有效的消除了单色像差，因此分辨率高，可以达到3.5微米甚至更高，能更加充分的观察到超冷原子团的更多细节。7、容易实施，因为其所需的组装部件少，结构简单且都为现成商品，十分容易获得并组装。8、可以在不同的超冷原子物理实验条件下（如真空腔尺寸、原子种类等）对超冷原子团进行高分辨率成像，具有一定普适性。附图说明图1为技术的结构示意图；图中，1-真空腔；2-真空腔窗口；3-物镜透镜组；301-第一透镜；302-第二透镜；303-第三透镜。具体实施方式为使本技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本技术具体实施例并结合附图对本技术作进一步详细的说明。如图1所示，按照真空腔一侧（物方）到高分辨率的电耦合元件一侧（像方）沿光轴的方向排序依次包括：第一透镜、第二透镜和第三透镜。第一透镜为球面平凸透镜，第一透镜的两面分别为第一透镜平面和第一透镜凸面。第二透镜为球面平凹透镜，第二透镜的两面分别为第二透镜平面和第二透镜凹面。第三透镜为球面双凸透镜，第三透镜的两面分别为第三透镜凸面A和第三透镜凸面B。第一透镜、第二透镜和第三透镜均共光轴，真空腔窗口中心点以及原子团中心点均在光轴，第一透镜平面、第一透镜凸面、第二透镜平面、第二透镜凹面、第三透镜凸面A和第三透镜凸面B沿光轴自真空腔一侧（物方）到高分辨率的电耦合元件一侧（像方）依次分布。第一透镜、第二透镜和第三透镜均与真空腔窗口平行。第一透镜、第二透镜和第三透镜全部采用标准目录镜片。相关的几个特征参数及其数值如下：特征参数1为原子团中心与真空腔窗口内壁的在光轴上的距离，特征参数1的数值根据真空腔的形状和尺寸而定，在超冷原子物理实验中其值通常在30至150毫米之间。特征参数2为真空腔窗口（本实施例中为圆形平行玻璃板）在光轴上的厚度，在超冷原子物理实验中特征参数2通常在2至10毫米之间。玻璃板会引入球差，不同的厚度或者材质引入的球差不同。特征参数3为真空腔窗口（本实施例中为圆形平行玻璃板）直径，在超冷原子物理实验中特征参数3通常在10至40毫米之间。直径越小引起的夫琅禾费衍射效应越强，分辨率也就越低。直径越大则夫琅禾费衍射效应越弱，分辨率越高。特征参数4为单色成像光波长，不同种类原子所对应波长不同，在超冷原子物理实验中特征参数4通常小于1000纳米。“吸收成像”：成像光在穿过原子团的过程中被不断吸收。所以中间会形成一个较暗的“洞”，再利用透镜组将“洞”成像于CCD上获得成像数据，经过分析可以得到原子团的内部结构。实施例2在本实施例中超冷原子物理实验选取的是6Li原子，它的成像光波长为671纳米，特征参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对超冷原子高分辨率成像物镜，包括物镜透镜组，其特征在于，物镜透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、连接杆和三个透镜框，第一透镜、第二透镜和第三透镜分别嵌设在三个透镜框内，各个透镜框之间通过连接杆连接，物镜透镜组固定于真空腔的真空腔窗口前，第一透镜的两面分别为第一透镜平面和第一透镜凸面；第二透镜的两面分别为第二透镜平面和第二透镜凹面；第三透镜的两面分别为第三透镜凸面A和第三透镜凸面B；第一透镜、第二透镜和第三透镜均共光轴，真空腔窗口中心点以及真空腔内的原子团中心点均在光轴，第一透镜平面、第一透镜凸面、第二透镜平面、第二透镜凹面、第三透镜凸面A和第三透镜凸面B沿光轴自真空腔一侧到电耦合元件一侧依次分布。

【技术特征摘要】
1.一种对超冷原子高分辨率成像物镜，包括物镜透镜组，其特征在于，物镜透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、连接杆和三个透镜框，第一透镜、第二透镜和第三透镜分别嵌设在三个透镜框内，各个透镜框之间通过连接杆连接，物镜透镜组固定于真空腔的真空腔窗口前，第一透镜的两面分别为第一透镜平面和第一透镜凸面；第二透镜的两面分别为第二透镜平面和第二透镜凹面；第三透镜的两面分别为第三透镜凸面A和第三透镜凸面B；第一透镜、第二透镜和第三透镜均共光轴，真空腔窗口中心点以及真空腔内的原子团中心点均在光轴，第一透镜平面、第一透镜凸面、第二透镜平面、第二透镜凹面、第三透镜凸面A和第三透镜凸面B沿光轴自真空腔一侧到电耦合元件一侧依次分布。2.根据权利要求1所述的一种对超冷原子高...

【专利技术属性】
技术研发人员：程刘阳，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：新型
国别省市：湖北,42