为克服现有磁光阱的光路系统易受外界环境影响使产生的冷原子有大幅度随机抖动，以及虽然减小了光纤因素导致的冷原子参数随机抖动但却引入了额外误差的缺陷，本发明专利技术提供一种双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置，设计了独特的三维MOT光路传输拓扑，将原来需要的六根保偏光纤缩减为两根，极大地消除了入射激光偏振度不稳定和光强起伏对产生的冷原子质量的影响；利用激光光束的偏振特性，通过多次光束分束与反射，在仅有两路输入光的情况下实现了用于原子冷却的六束激光的功率、偏振的独立调节，特别是能使两两对射的六束光在会聚点的功率调节至严格相等，大幅度降低了装置工作过程中由于六束光功率起伏步调不一致所产生的影响。
【技术实现步骤摘要】
双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置
本专利技术涉及激光冷却原子，特别涉及一种双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置。
技术介绍
随着技术的发展，以激光冷却原子技术为基础的冷原子干涉仪、冷原子钟等已经由原理验证阶段转向工程应用阶段，开始逐步应用于可搬运、可移动的科研或工程平台，如应用于航空、航天、航海领域。为满足以上恶劣环境条件下的实际应用，冷原子仪器设备要尽可能的小型化、轻量化、集成化，同时尤其要具备高稳定性和高可靠性。因此，激光冷却原子装置需要进行工程化以实现上述目标。激光冷却囚禁原子的工作原理是在真空腔内用磁场和激光共同作用形成磁光阱(MOT)，或只利用激光作用在真空腔内形成全光学阱，利用与原子跃迁能级共振的单频激光与真空腔内原子气体相互作用，使原子逐步冷却至超低温度。典型的磁光阱具有如图1所示的结构，为了产生冷原子团，需要向真空腔内部输入六束功率、频率相等的大孔径(通常>15mm)的准直圆偏振激光束。目前六路激光均采用保偏光纤进行传输，再经过准直扩束后进入MOT真空腔的办法，由于保偏光纤的偏振保持性能容易受到外界温度变化、气流扰动等因素的影响，使得各光纤中传输的激光偏振变化不一致，造成六束激光之间的功率变化不同步、幅度变化差异大、进而使产生的冷原子数量和温度均不稳定，有大幅度的随机抖动。这种情况直接影响了冷原子型仪器的测量稳定性和精度指标，是限制冷原子器件走向工程化应用的一个主要的因素。此外，为了使六路激光保持良好的正交性，传统激光冷却原子技术中通常采用可调节的光纤入射准直系统，可调节的弹性机械结构会带来可靠性和稳定性方面的显著缺陷，而传统激光冷却原子技术中六束光必然需要六个可调节的光纤入射准直系统，进一步放大了这种缺陷，因而无法满足冷原子装置工程化应用所要通过的力学振动、冲击试验和热环模试验，也无法适应各种恶劣环境。因此，新型的激光冷却原子系统需要根据工程应用的要求对光机系统进行大幅度的简化设计，并采用航空、航天级的光机元器件装配工艺，提高整个系统的可靠性和稳定性。申请号为201410578787.X的专利文献公开了一种“折叠光路激光冷却原子装置”，将传统的激光冷却磁光阱所需的六根输入单模保偏光纤减少为两根，减小了由于光纤因素所导致的冷原子参数随机抖动，但该方式中两路激中的每一路光均通过多次反射的方式进入充满热原子蒸汽的MOT真空腔对热原子进行冷却，因而激光束每次经过冷原子团后其能量均被吸收一部分，造成在该方向上对射的两束激光功率不相等，三个方向两两对射的光束功率均不相等。该装置进行冷原子团上抛或下落时，由于各个方向的功率不等使冷原子团受力不相等，因此原子飞行轨迹不能严格垂直上抛或下落，进而在冷原子装置的测量结果中引入额外误差，当MOT中热原子蒸汽密度高时这种效应将更加显著。
技术实现思路
为了克服上述现有磁光阱的光路系统易受外界环境影响使得产生的冷原子有大幅度随机抖动从而影响了冷原子型一起的测量稳定性和精度，以及虽然减小了光纤因素导致的冷原子参数随机抖动但却引入了额外误差的缺陷，本专利技术提供一种双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置。本专利技术的技术解决方案如下：双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置，其特殊之处在于：包括真空26面体、第一Ⅰ型分束光筒、第二Ⅰ型分束光筒、第一Ⅱ型分束光筒、第二Ⅱ型分束光筒、第一Ⅲ型分束光筒、第二Ⅲ型分束光筒、第一激光准直扩束器、第二激光准直扩束器、第一光束转折器、第二光束转折器、第三光束转折器和第四光束折转器；真空26面体是由一个正方体分别沿与其四条体对角线垂直的方向等尺寸切割去掉八个顶点，再将十二条棱边的剩余部分切除所得到的；真空26面体表面的6个八边形面分别记为A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面，其中A、A＇平面相对设置，B、B＇平面相对设置，C、C＇平面相对设置；将真空26面体先沿其表面的6个八边形面两两相对的中心连线打穿掏空，再沿其表面8个六边形面两两相对的中心连线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成真空腔体；将A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面对应的光窗分别记为A光窗、A＇光窗、B光窗、B＇光窗、C光窗、C＇光窗；第一Ⅰ型分束光筒和第二Ⅰ型分束光筒分别垂直安装在所述A平面和A＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅱ型分束光筒和第二Ⅱ型分束光筒分别垂直安装在所述B平面和B＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅲ型分束光筒与第二Ⅲ型分束光筒分别垂直安装在所述C平面和C＇平面上且二者的光轴重合；第一激光准直扩束器与所述第一Ⅰ型分束光筒连接，且其出光口的中心轴线与第一Ⅰ型分束光筒的光输入口的中心轴线重合；第二激光准直扩束器与所述第二Ⅰ型分束光筒连接，且其出光口的中心轴线与第二Ⅰ型分束光筒的光输入口的中心轴线重合；第一光束转折器、第二光束转折器、第三光束转折器和第四光束转折器均设置在真空26面体上，且分别位于A平面与B平面之间、B平面与C平面之间、A＇平面与B＇平面之间、B＇平面与C＇平面之间的矩形面上；第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束进入第一Ⅰ型分束光筒后，被分为第一透射光和第一反射光；第一反射光的功率为第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束功率的1/3，第一透射光的功率为第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；第一反射光从所述第一Ⅰ型分束光筒输出后，经所述A光窗进入真空26面体内；第一透射光从所述第一Ⅰ型分束光筒输出后，经所述第一光束转折器折转进入所述第一Ⅱ型分束光筒内后分为第二透射光和第二反射光；第二透射光和第二反射光的功率比为1:1；第二反射光从第一Ⅱ型分束光筒输出后，经所述B光窗进入真空26面体内；第二透射光从第一Ⅱ型分束光筒输出后，经第二光束转折器折转进入第一Ⅲ型分束光筒内，被分束后得到第三反射光，第三发射光经所述C光窗进入真空26面体；第二激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束进入第二Ⅰ型分束光筒后，被分为第四透射光和第四反射光；第四反射光的功率为第二激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束的1/3，第四透射光的功率为第二激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；第四反射光从所述第二Ⅰ型分束光筒输出后，经所述A＇光窗进入真空26面体内；第四透射光从所述第二Ⅰ型分束光筒输出后，经第三光束转折器折转进入第二Ⅱ型分束光筒内，被分束后得到第五透射光和第五反射光；第五透射光和第五反射光的功率比为1:1；第五反射光从所述第二Ⅱ型分束光筒输出后，经所述B＇光窗进入真空26面体内；第五透射光从所述第二Ⅱ型分束光筒输出后，经第四光束转折器折转进入第二Ⅲ型分束光筒内，被分束后得到第六反射光，第六反射光经所述C＇光窗进入真空26面体内。进一步地，Ⅰ型分束光筒、Ⅰ型分束光筒、Ⅲ型分束光筒中，至少一种分束光筒上安装有光电探测器。进一步地，第一Ⅰ型分束光筒和第二Ⅰ型分束光筒上分别固定安装有第一反亥姆赫兹线圈和第二反亥姆赫兹线圈；或本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置，其特征在于：/n包括真空26面体(400)、第一Ⅰ型分束光筒(100A)、第二Ⅰ型分束光筒(200A)、第一Ⅱ型分束光筒(100B)、第二Ⅱ型分束光筒(200B)、第一Ⅲ型分束光筒(100C)、第二Ⅲ型分束光筒(200C)、第一激光准直扩束器(100)、第二激光准直扩束器(200)、第一光束转折器(100D)、第二光束转折器(100E)、第三光束转折器(200D)和第四光束折转器(200E)；/n真空26面体(400)是由一个正方体分别沿与其四条体对角线垂直的方向等尺寸切割去掉八个顶点，再将十二条棱边的剩余部分切除所得到的；真空26面体(400)表面的6个八边形面分别记为A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面，其中A、A＇平面相对设置，B、B＇平面相对设置，C、C＇平面相对设置；将真空26面体(400)先沿其表面的6个八边形面两两相对的中心连线打穿掏空，再沿其表面8个六边形面两两相对的中心连线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成真空腔体；将A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面对应的光窗分别记为A光窗、A＇光窗、B光窗、B＇光窗、C光窗、C＇光窗；/n第一Ⅰ型分束光筒(100A)和第二Ⅰ型分束光筒(200A)分别垂直安装在所述A平面和A＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅱ型分束光筒(100B)和第二Ⅱ型分束光筒(200B)分别垂直安装在所述B平面和B＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅲ型分束光筒(100C)与第二Ⅲ型分束光筒(200C)分别垂直安装在所述C平面和C＇平面上且二者的光轴重合；/n第一激光准直扩束器(100)与所述第一Ⅰ型分束光筒(100A)连接，且其出光口的中心轴线与第一Ⅰ型分束光筒(100A)的光输入口的中心轴线重合；第二激光准直扩束器(200)与所述第二Ⅰ型分束光筒(200A)连接，且其出光口的中心轴线与第二Ⅰ型分束光筒(200A)的光输入口的中心轴线重合；/n第一光束转折器(100D)、第二光束转折器(100E)、第三光束转折器(200D)和第四光束转折器(200E)均设置在真空26面体(400)上，且分别位于A平面与B平面之间、B平面与C平面之间、A＇平面与B＇平面之间、B＇平面与C＇平面之间的矩形面上；/n第一激光准直扩束器(100)输出的大口径线偏振平行激光束进入第一Ⅰ型分束光筒(100A)后，被分为第一透射光(501)和第一反射光(502)；第一反射光(502)的功率为第一激光准直扩束器(100)输出的大口径线偏振平行激光束功率的1/3，第一透射光(501)的功率为第一激光准直扩束器(100)输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；/n第一反射光(502)从所述第一Ⅰ型分束光筒(100A)输出后，经所述A光窗进入真空26面体(400)内；/n第一透射光(501)从所述第一Ⅰ型分束光筒(100A)输出后，经所述第一光束转折器(100D)折转进入所述第一Ⅱ型分束光筒(100B)内后分为第二透射光(503)和第二反射光(504)；第二透射光(503)和第二反射光(504)的功率比为1:1；/n第二反射光(504)从第一Ⅱ型分束光筒(100B)输出后，经所述B光窗进入真空26面体(400)内；/n第二透射光(503)从第一Ⅱ型分束光筒(100B)输出后，经第二光束转折器(100E)折转进入第一Ⅲ型分束光筒(100C)内，被分束后得到第三反射光(506)，第三发射光(506)经所述C光窗进入真空26面体(400)；/n第二激光准直扩束器(200)输出的大口径线偏振平行激光束进入第二Ⅰ型分束光筒(200A)后，被分为第四透射光(601)和第四反射光(602)；第四反射光(602)的功率为第二激光准直扩束器(200)输出的大口径线偏振平行激光束的1/3，第四透射光(601)的功率为第二激光准直扩束器(200)输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；/n第四反射光(602)从所述第二Ⅰ型分束光筒(200A)输出后，经所述A＇光窗进入真空26面体(400)内；/n第四透射光(601)从所述第二Ⅰ型分束光筒(200A)输出后，经第三光束转折器(200D)折转进入第二Ⅱ型分束光筒(200B)内，被分束后得到第五透射光(603)和第五反射光(604)；第五透射光(603)和第五反射光(604)的功率比为1:1；/n第五反射光(604)从所述第二Ⅱ型分束光筒(200B)输出后，经所述B＇光窗进入真空26面体(400)内；/n第五透射光(603)从所述第二Ⅱ型分束光筒(200B)输出后，经第四光束转折器(200E)折转进入第二Ⅲ型分束光筒(200C)内，被分束后得到第六反射光(606)，第六反射光(606)经所述C＇光窗进入真空26面体(400...
【技术特征摘要】
1.双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置，其特征在于：
包括真空26面体(400)、第一Ⅰ型分束光筒(100A)、第二Ⅰ型分束光筒(200A)、第一Ⅱ型分束光筒(100B)、第二Ⅱ型分束光筒(200B)、第一Ⅲ型分束光筒(100C)、第二Ⅲ型分束光筒(200C)、第一激光准直扩束器(100)、第二激光准直扩束器(200)、第一光束转折器(100D)、第二光束转折器(100E)、第三光束转折器(200D)和第四光束折转器(200E)；
真空26面体(400)是由一个正方体分别沿与其四条体对角线垂直的方向等尺寸切割去掉八个顶点，再将十二条棱边的剩余部分切除所得到的；真空26面体(400)表面的6个八边形面分别记为A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面，其中A、A＇平面相对设置，B、B＇平面相对设置，C、C＇平面相对设置；将真空26面体(400)先沿其表面的6个八边形面两两相对的中心连线打穿掏空，再沿其表面8个六边形面两两相对的中心连线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成真空腔体；将A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面对应的光窗分别记为A光窗、A＇光窗、B光窗、B＇光窗、C光窗、C＇光窗；
第一Ⅰ型分束光筒(100A)和第二Ⅰ型分束光筒(200A)分别垂直安装在所述A平面和A＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅱ型分束光筒(100B)和第二Ⅱ型分束光筒(200B)分别垂直安装在所述B平面和B＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅲ型分束光筒(100C)与第二Ⅲ型分束光筒(200C)分别垂直安装在所述C平面和C＇平面上且二者的光轴重合；
第一激光准直扩束器(100)与所述第一Ⅰ型分束光筒(100A)连接，且其出光口的中心轴线与第一Ⅰ型分束光筒(100A)的光输入口的中心轴线重合；第二激光准直扩束器(200)与所述第二Ⅰ型分束光筒(200A)连接，且其出光口的中心轴线与第二Ⅰ型分束光筒(200A)的光输入口的中心轴线重合；
第一光束转折器(100D)、第二光束转折器(100E)、第三光束转折器(200D)和第四光束转折器(200E)均设置在真空26面体(400)上，且分别位于A平面与B平面之间、B平面与C平面之间、A＇平面与B＇平面之间、B＇平面与C＇平面之间的矩形面上；
第一激光准直扩束器(100)输出的大口径线偏振平行激光束进入第一Ⅰ型分束光筒(100A)后，被分为第一透射光(501)和第一反射光(502)；第一反射光(502)的功率为第一激光准直扩束器(100)输出的大口径线偏振平行激光束功率的1/3，第一透射光(501)的功率为第一激光准直扩束器(100)输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；
第一反射光(502)从所述第一Ⅰ型分束光筒(100A)输出后，经所述A光窗进入真空26面体(400)内；
第一透射光(501)从所述第一Ⅰ型分束光筒(100A)输出后，经所述第一光束转折器(100D)折转进入所述第一Ⅱ型分束光筒(100B)内后分为第二透射光(503)和第二反射光(504)；第二透射光(503)和第二反射光(504)的功率比为1:1；
第二反射光(504)从第一Ⅱ型分束光筒(100B)输出后，经所述B光窗进入真空26面体(400)内；
第二透射光(503)从第一Ⅱ型分束光筒(100B)输出后，经第二光束转折器(100E)折转进入第一Ⅲ型分束光筒(100C)内，被分束后得到第三反射光(506)，第三发射光(506)经所述C光窗进入真空26面体(400)；
第二激光准直扩束器(200)输出的大口径线偏振平行激光束进入第二Ⅰ型分束光筒(200A)后，被分为第四透射光(601)和第四反射光(602)；第四反射光(602)的功率为第二激光准直扩束器(200)输出的大口径线偏振平行激光束的1/3，第四透射光(601)的功率为第二激光准直扩束器(200)输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；
第四反射光(602)从所述第二Ⅰ型分束光筒(200A)输出后，经所述A＇光窗进入真空26面体(400)内；
第四透射光(601)从所述第二Ⅰ型分束光筒(200A)输出后，经第三光束转折器(200D)折转进入第二Ⅱ型分束光筒(200B)内，被分束后得到第五透射光(603)和第五反射光(604)；第五透射光(603)和第五反射光(604)的功率比为1:1；
第五反射光(604)从所述第二Ⅱ型分束光筒(200B)输出后，经所述B＇光窗进入真空26面体(400)内；
第五透射光(603)从所述第二Ⅱ型分束光筒(200B)输出后，经第四光束转折器(200E)折转进入第二Ⅲ型分束光筒(200C)内，被分束后得到第六反射光(606)，第六反射光(606)经所述C＇光窗进入真空26面体(400)内。
2.根据权利要求1所述的双光束输入的激...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾森，王先华，蔡勇，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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