一种集成冷原子双能级探测装置，该装置由真空探测区、探测光源组件、重泵浦光源组件和两个荧光收集组件构成，本发明专利技术集激光扩束准直系统、荧光收集系统、光强实时监测于一体，使用定制的梯形棱镜对光束的方向进行控制，实现了小型化、高稳定、高可靠的集成冷原子双能级探测装置，可在冷原子钟上实现原子的双能级探测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冷原子钟激光探测技术，特别是一种集成冷原子双能级探测装置。
技术介绍
高精度的冷原子钟已经从科学实验逐渐转向工程应用，从地面实验室开始转向可 搬运实验平台或工程应用平台、甚至空间微重力环境的科学实验研究及工程应用平台发 展。例如在空间冷原子频标中，利用6束正交对射的稳频激光将大于IO 6量级的原子数俘 获、囚禁并冷却至超低温度（10 6K量级），作为空间冷原子钟的工作介质，在空间微重力条 件下，利用慢速抛射技术，可以延长Ramsey相互作用的时间间隔，利用冷原子双能级探测 技术可以得到亚赫兹量级的原子钟Ramsey条纹，双能级探测装置的稳定性直接影响了空 间冷原子钟的性能。同时为了满足火箭发射条件、适应航天恶劣环境及严苛要求，上天设备 需要尽可能的小型化、轻型化、集成化，还要具备高稳定性和高可靠性。因此，冷原子双能级 探测装置需要设计全新的工程化光机系统。 在以冷原子为工作介质的原子钟运行过程中，以铷原子为例，铷原子被激光冷却 俘获后抛射，经选态及两次与微波相互作用后，处在|F = 2，mF= 0>和|F = l，mF= 〇>的 相干叠加态上。图1为双能级探测法的原理示意图，|F = 2, mF= 0>的原子被第一个F23探 测光驻波场激发，跃迀到IF'= 3>的激发态上，然后自发辐射出共振荧光后回到IF = 2>态 上，共振荧光是随机向周围发射的，经透镜成像被第一光电管收集并转化成光电流信号。随 后冷原子团经过一个F 23探测光行波场，处于IF = 2>态上原子被全部打跑。冷原子团中将 只剩下处于|F = 1，mF= 0>的原子，|F = 1，mF= 0>的原子不会与F23探测光驻波场和F 23 探测光行波场相互作用，进入到F12重栗浦光驻波场后，IF = i，rnF= 〇>的原子跃迀到IF = 2>态上，然后进入第二个F23探测光驻波场，冷原子跃迀到IF' = 3>的激发态上，然后自发 辐射出共振荧光后回到IF = 2>态上经透镜被第二光电管收集并转化成光电流信号。 由于原子超精细能级结构对磁场十分敏感，整个冷原子探测过程中需要严格屏蔽 外界磁场及地磁场的影响。通常采用的方法是用多层磁屏蔽桶将整个冷原子钟物理系统系 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）密度较 大，在使用多层磁屏蔽的情况下占用较多的重量资源，因此磁屏蔽桶的直径越小越好，这就 限制了磁屏蔽桶内探测装置的大小。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，在磁屏蔽的端盖上预留小孔使光纤能够进入磁屏蔽内将激光传播进入探测 系统，但为了使从光纤出射的激光的偏振可控，需要使用单模保偏光纤，激光在单模保偏光 纤中传播时激光的偏振保持不变。但单模保偏光纤的芯径在μ m量级，同时单模保偏光纤 的出光是发散的。为满足探测装置的要求必须对光纤的出光进行扩束准直，扩束准直后的 光斑直径一般要求在15_左右，因此需要实现从μ m量级芯径到15_左右的准直光斑的 扩束准直过程，往往这样的激光扩束准直系统需要使用多个透镜，多个透镜的设计带来调 整困难和稳定性差的问题，整个系统长度一般在约70_左右，多个透镜的设计也使这个长 度很难进一步压缩，这与屏蔽桶的直径尽可能小的要求矛盾。 荧光收集系统的探测效率是在忽略光电管光电转换效率的情况下探测到的荧光 与原子团发出的总荧光之比。荧光收集系统为了尽量提高探测效率，透镜或透镜组的口径 要尽量大，透镜或透镜组离冷原子与驻波场相互作用的区域要尽量近。以单透镜的成像系 统为例，考虑所选光电管的接受面积，若光电管接受面积比冷原子与驻波场相互作用的区 域小，则物距必须大于两倍的透镜焦距，为满足物距尽量小要求必须使用短焦距的透镜，这 将带来加工难度高和像差较大的问题。要提高探测效率往往就需要使用复杂的成像系统， 而复杂的成像系统往往带来透镜多、调整困难、稳定性差和整个成像系统过长的问题，与屏 蔽桶的直径尽可能小的要求矛盾。 整个探测系统中需要产生三个驻波场，一个行波场，实验室系统通常会采用分束 器件及多个45度反射镜的设计，会造成安装调试的困难及可靠性的问题。同时驻波场的调 节通常采用可调节的反射镜镜架，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。
技术实现思路
为了克服上述现冷原子双能级探测系统的缺陷，本专利技术提供一种集成冷原子双能 级探测装置。该装置集激光扩束准直系统、荧光收集系统、光强实时监测于一体，使用定制 的梯形棱镜对光束的方向进行控制，实现了小型化、高稳定、高可靠的集成冷原子双能级探 测装置，可在冷原子钟上实现原子的双能级探测。 本专利技术的技术解决方案如下： -种集成冷原子双能级探测装置，特点在于该装置由真空探测区、探测光源组件、 重栗浦光源组件和两个荧光收集组件构成，所述的真空探测区是四个侧面分别具有光学窗 口的一个立方体的密封空间，四个侧面分别称为A面、B面、C面、D面，四个侧面上的光窗分 别称为A光窗、B光窗、C光窗、D光窗； 所述的探测光源组件成" S "型，在该探测光源组件的左上部分包括探测光源组 件安装面、第一矩形开口、第三矩形开口、第二矩形开口和平面反射镜，所述的第一矩形开 口、第三矩形开口和第二矩形开口是自下而上的位于同一平面的三个平行的通光口，该平 面与所述的探测光源组件安装面平行，在第一矩形开口上安装λ/4波片，所述的平面反射 镜紧贴在第二矩形开口和第三矩形开口的右面并与所述的探测光源组件安装面平行，所述 的探测光源组件的右下部分包括第一光纤底座、第一平凹透镜、第一非球面镜、第一偏振分 束器和第一光强检测装置，所述的第一矩形开口的中心、第一偏振分束器的中心、第一光强 检测装置的中心自左至右依次位于第一轴线上，该第一轴线与所属的探测光源组件安装面 垂直，所述的第一偏振分束器、第一非球面镜、第一平凹透镜和第一光纤底座自上而下同光 轴，该光轴与所述的第一轴线垂直； 所述的重栗浦光源组件成"h"型，在该探测光源组件的左半部分包括重栗浦光源 组件安装面、第四矩形开口、第六矩形开口、第五矩形开口和梯形棱镜，所述的第四矩形开 口、第六矩形开口和第五矩形开口是自下而上的位于同一平面的三个平行的通光口，该平 面与所述的重栗浦光源组件安装面平行，在第四矩形开口和第五矩形开口上安装λ /4波 片，所述的梯形棱镜是一块具有两个反射的45°等腰面和两个透射的上下底面的棱镜，所 述的梯形棱镜的下底面紧贴在所述的第四矩形开口、第六矩形开口和第五矩形开口的右面 并与所述的重栗浦光源组件安装面平行，所述的重栗浦光源组件的右下部分包括第二光纤 底座、第二平凹透镜、第二非球面镜、第二偏振分束器和第二光强检测装置，所述的第六矩 形开孔的中心、梯形棱镜当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集成冷原子双能级探测装置，该装置由真空探测区(1)、探测光源组件(2)、重泵浦光源组件(3)和两个荧光收集组件(4)构成，所述的真空探测区(1)是四个侧面分别具有光学窗口的一个立方体的密封空间，四个侧面分别称为A面、B面、C面、D面，四个侧面上的光窗分别称为A光窗、B光窗、C光窗、D光窗；其特征在于：所述的探测光源组件(2)成“ㄣ”型，在该探测光源组件(2)的左上部分包括探测光源组件安装面(14)、第一矩形开口(10)、第三矩形开口(13)、第二矩形开口(12)和平面反射镜(11)，所述的第一矩形开口(10)、第三矩形开口(13)和第二矩形开口(12)是自下而上的位于同一平面的三个平行的通光口，该平面与所述的探测光源组件安装面(14)平行，在第一矩形开口(10)上安装λ/4波片，所述的平面反射镜(11)紧贴在第二矩形开口(12)和第三矩形开口(13)的右面并与所述的探测光源组件安装面(14)平行，所述的探测光源组件(2)的右下部分包括第一光纤底座(5)、第一平凹透镜(6)、第一非球面镜(7)、第一偏振分束器(8)和第一光强检测装置(9)，所述的第一矩形开口(10)的中心、第一偏振分束器(8)的中心、第一光强检测装置(9)的中心自左至右依次位于第一轴线上，该第一轴线与所属的探测光源组件安装面(14)垂直，所述的第一偏振分束器(8)、第一非球面镜(7)、第一平凹透镜(6)和第一光纤底座(5)自上而下同光轴，该光轴与所述的第一轴线垂直；所述的重泵浦光源组件(3)成型，在该探测光源组件(3)的左半部分包括重泵浦光源组件安装面(24)、第四矩形开口(21)、第六矩形开口(22)、第五矩形开口(23)和梯形棱镜(20)，所述的第四矩形开口(21)、第六矩形开口(22)和第五矩形开口(23)是自下而上的位于同一平面的三个平行的通光口，该平面与所述的重泵浦光源组件安装面(24)平行，在第四矩形开口(21)和第五矩形开口(23)上安装λ/4波片，所述的梯形棱镜(20)是一块具有两个反射的45°等腰面和两个透射的上下底面的棱镜，所述的梯形棱镜(20)的下底面紧贴在所述的第四矩形开口(21)、第六矩形开口(22)和第五矩形开口(23)的右面并与所述的重泵浦光源组件安装面(24)平行，所述的重泵浦光源组件(3)的右下部分包括第二光纤底座(15)、第二平凹透镜(16)、第二非球面镜(17)、第二偏振分束器(18)和第二光强检测装置(19)，所述的第六矩形开孔(22)的中心、梯形棱镜(20)的下底面的中心与上底面的中心、第二偏振分束器(18)的中心和第二光强检测装置(19)的中心自左向右依次位于第二轴线上，该第二轴线与所述的重泵浦光源组件安装面(24)垂直，所述的第二偏振分束器(18)、第二非球面镜(17)、第二平凹透镜(16)和第二光纤底座(15)同光轴，该光轴与所述的第二轴线垂直；所述的两个荧光收集组件(4)具有相同结构，镜筒结构，从圆形通光开口(25)后依次安装了平凸透镜(26)、第三非球面透镜(27)和光电管(28)，所述的平凸透镜(26)和第三非球面透镜(27)同光轴，圆形通光开口(25)的中心及光电管(28)的中心依次位于该光轴，该光轴与荧光收集组件(4)的安装面垂直；所述的探测光源组件(2)和重泵浦光源组件(3)分别安装在所述的A面和C面，所述的探测光源组件(2)的第一矩形开口(10)对准所述的A光窗、C光窗和所述的重泵浦光源组件(3)的第四矩形开口(21)，所述的探测光源组件(2)的第二矩形开口(12)对准所述的C光窗、A光窗和所述的重泵浦光源组件(3)的第五矩形开口(23)，所述的探测光源组件(2)的第三矩形开口(13)对准所述的A光窗、C光窗以及所述的重泵浦光源组件(3)的第六矩形开口(22)，所述的两个荧光收集组件(4)分别安装在B面和D面，所述的两个荧光收集组件(4)的荧光收集窗口分别对准所述的B光窗的下半部分和D光窗的上半部分；满足下列光路连接关系：探测激光由所述的探测光源组件(2)的第一光纤底座(5)输入，经所述的第一平凹透镜(6)和第一非球面透镜(7)扩束准直后至第一偏振分束器(8)，该第一偏振分束器(8)将所述的探测激光分为反射光和透射光，所述的反射光经第一矩形开口(10)中的λ/4波片、A光窗、C光窗，进入所述的重泵浦光源组件(3)，依次通过第四矩形开口(21)中的λ/4波片、梯形棱镜(20)，经该梯形棱镜(20)反射后经所述的第五矩形开口(23)中的λ/4波片、C光窗、A光窗、再进入所述的探测光源组件(2)，经第二矩形开孔(12)后垂直入射所述的平面反射镜(11)，经该平面反射镜(11)0°反射沿原光路返回至第一偏振分束器(8)，返回的光将被分为反射光和透射光，透射光到达第一光强检测装置(9)，在所述的探测光源组件...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，项静峰，屈求智，叶美凤，汪斌，吕德胜，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。