一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头制造技术

本实用新型专利技术涉及射频测量领域，特别是涉及一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头，包括高效传输光纤、偏振分束光纤光栅、半反半透光纤光栅、包含原子气室的中空光纤、全反射光纤光栅；本实用新型专利技术具有以下技术效果：通过将偏振分束光纤光栅、半反半透光纤光栅、包含原子气室的中空光纤、全反射光纤光栅在普通光纤上集成的方式，提高了量子射频测量系统传感探头的集成度和便携性，在确保里德堡原子有效激发的同时，实现了探测光、耦合光的同向输入，减小了传感探头的整体尺寸，提高了激光利用率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头


[0001]本技术涉及射频测量领域，特别是涉及一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头。

技术介绍

[0002]基于里德堡原子的量子射频测量技术具有高灵敏度、高精确度、超宽带、传感探头尺寸小等显著优势，是当前国内外量子探测领域的研究热点。而原子气室是基于里德堡原子的量子射频测量系统的核心关键部件，里德堡原子的制备通常使用对向传输的探测光、耦合光进行双光子激发，以减小多普勒频移量、提高原子对激光的吸收率，从而提升里德堡原子的激发效率。在测量系统中，探测光、耦合光对向传输的要求在一定程度上不利于整体的光路集成，相较于同向传输光路，探头光轴方向长度增加约1倍，激光利用率也不高。
[0003]根据应用需求的不同，原子气室通常使用石英玻璃、蓝宝石等透明材料封装成各种形状，并进行真空处理或充入不同的缓冲气体，内部充有一定数量的碱金属原子，气室整体体积在几个立方厘米以上。为减小探头尺寸提升测量系统的分辨率、提高测量系统便携性，研究人员将透明材料封装的原子气室、光纤准直镜、保偏光纤等粘合固定，实现了探头的可移动，但也存在探头整体尺寸较大、粘合固定位置不能弯折、集成化程度不高等问题；将碱金属原子充入中空光纤，实现气室的微型化，但探测光、耦合光依然对向传输，探头尺寸仍有进一步缩小的空间，激光利用率也不够高，从而限制了测量系统的实用性。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对现有原子气室体积较大、简单集成无法满足实用化需求、激光利用率不高的问题，提供一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头。
[0005]本技术采用的技术方案为：一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头，用于基于里德堡原子的量子射频测量，包括高效传输光纤1、偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、包含原子气室的中空光纤4、全反射光纤光栅5；
[0006]所述高效传输光纤1用于探测光、耦合光的高效传输和偏振分束光纤光栅2的耦合输入输出；
[0007]所述偏振分束光纤光栅2与高效传输光纤1连接，分为耦合光偏振分束光纤光栅21和探测光偏振分束光纤光栅22，所述耦合光偏振分束光纤光栅21用于产生特定偏振状态的耦合光，所述探测光偏振分束光纤光栅22用于产生特定偏振状态的探测光，所述特定偏振状态的探测光、耦合光可以与包含原子气室的中空光纤4中的碱金属原子相互作用；
[0008]所述半反半透光纤光栅3与偏振分束光纤光栅2连接，分为耦合光半反半透光纤光栅31和探测光半反半透光纤光栅32，所述耦合光半反半透光纤光栅31用于实现耦合光的部分反射/透射，增大耦合光在包含原子气室的中空光纤4中的有效光程，增强耦合光与碱金属原子的相互作用，所述探测光半反半透光纤光栅32用于实现探测光的部分反射/透射，增大探测光在中空原子气室中的有效光程，增强探测光与碱金属原子的相互作用；
[0009]所述包含原子气室的中空光纤4与半反半透光纤光栅3连接，通过在普通光纤上加工出原子气室41，原子气室内部装有一定数量的碱金属原子42，并通过吸收探测光、耦合光制备出里德堡原子，实现射频场参数的测量；
[0010]所述全反射光纤光栅5与包含原子气室的中空光纤4连接，分为耦合光全反射光纤光栅51和探测光全反射光纤光栅52，所述耦合光全反射光纤光栅51用于实现耦合光的全反射，将耦合光反射回包含原子气室的中空光纤4，提高耦合光利用率，所述探测光全反射光纤光栅52用于实现探测光的全反射，将探测光反射回中空光纤原子气室，提高探测光利用率；
[0011]探测光、耦合光从所述高效传输光纤1输入，经过偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、包含原子气室的中空光纤4、全反射光纤光栅5后，原光路返回，再从高效传输光纤1输出，通过由全反射光纤光栅5、半反半透光纤光栅3构成的光学腔，提升激光利用效率，增强激光与原子的相互作用，以有效提高气室中碱金属原子的激发效率。
[0012]进一步地，所述碱金属原子为铯原子或铷原子。
[0013]进一步地，所述偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、包含原子气室的中空光纤4、全反射光纤光栅5均可集成在一根普通光纤上。
[0014]进一步地，所述偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、全反射光纤光栅5均可采用直写写入法、相位掩模法、聚焦离子束写入法等直接在普通光纤上制备。
[0015]本技术具有以下技术效果：通过将偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、包含原子气室的中空光纤4、全反射光纤光栅5在普通光纤上集成的方式，提高了量子射频测量系统传感探头的集成度和便携性，在确保里德堡原子有效激发的同时，实现了探测光、耦合光的同向输入，减小了传感探头的整体尺寸，提高了激光利用率。
附图说明
[0016]图1为本技术所述一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头的结构示意图；
[0017]附图标号说明：
[0018]1、高效传输光纤；2、偏振分束光纤光栅；21、耦合光偏振分束光纤光栅；22、探测光偏振分束光纤光栅；3、半反半透光纤光栅；31、耦合光半反半透光纤光栅；32、探测光半反半透光纤光栅；4、包含原子气室的中空光纤；41、原子气室；42、碱金属原子；5、全反射光纤光栅；51、探测光全反射光纤光栅；52、耦合光全反射光纤光栅。
具体实施方式
[0019]下面结合附图对本技术作进一步说明。
[0020]如图1所示，本技术提供了一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头，用于基于里德堡原子的量子射频测量，该装置包括高效传输光纤1、偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、包含原子气室的中空光纤4、全反射光纤光栅5；
[0021]探测光从高效传输光纤1输入，经耦合光偏振分束光纤光栅21、探测光偏振分束光纤光栅22、耦合光半反半透光纤光栅31、探测光半反半透光纤光栅32传输至包含原子气室的中空光纤4，透过充满碱金属原子42的原子气室41，在探测光全反射光纤光栅51的作用下
发生全反射，反向透过原子气室41，在探测光半反半透光纤光栅32的作用下，50％探测光反射回原子气室41，50％探测光透过探测光半反半透光栅32、耦合光半反半透光纤光栅31、探测光偏振分束光纤光栅22、耦合光偏振分束光纤光栅21返回高效传输光纤1；
[0022]耦合光从高效传输光纤1输入，经耦合光偏振分束光纤光栅21、探测光偏振分束光纤光栅22、耦合光半反半透光纤光栅31、探测光半反半透光纤光栅32传输至包含原子气室的中空光纤4，透过充满碱金属原子42的原子气室41、探测光全反射光纤光栅51，在耦合光全反射光纤光栅52的作用下发生全反射，反向透过探测光全反射光纤光栅51、原子气室41、探测光半反半透光纤光栅32，在耦合光半反半透光纤光栅31的作用下，50％耦合光经探测光半反半透光纤光栅32反射回原子气室41，50％耦合光透过探测光偏振分束光纤光栅22、耦合光偏振分束光纤光栅21返回高效传输光纤1。
[0023]其中，偏振分束光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头，用于基于里德堡原子的量子射频测量，其特征在于：包括高效传输光纤(1)、偏振分束光纤光栅(2)、半反半透光纤光栅(3)、包含原子气室的中空光纤(4)、全反射光纤光栅(5)；所述高效传输光纤(1)用于探测光、耦合光的高效传输和偏振分束光纤光栅(2)的耦合输入输出；所述偏振分束光纤光栅(2)与高效传输光纤(1)连接，分为耦合光偏振分束光纤光栅(21)和探测光偏振分束光纤光栅(22)，所述耦合光偏振分束光纤光栅(21)用于产生特定偏振状态的耦合光，所述探测光偏振分束光纤光栅(22)用于产生特定偏振状态的探测光，所述特定偏振状态的探测光、耦合光可以与包含原子气室的中空光纤(4)中的碱金属原子相互作用；所述半反半透光纤光栅(3)与偏振分束光纤光栅(2)连接，分为耦合光半反半透光纤光栅(31)和探测光半反半透光纤光栅(32)，所述耦合光半反半透光纤光栅(31)用于实现耦合光的部分反射/透射，增大耦合光在包含原子气室的中空光纤(4)中的有效光程，增强耦合光与碱金属原子的相互作用，所述探测光半反半透光纤光栅(32)用于实现探测光的部分反射/透射，增大探测光在中空原子气室中的有效光程，增强探测光与碱金属原子的相互作用；所述包含原子气室的中空光纤(4)与半反半透光纤光栅(3)连接，通过在普通光纤上加工出原子气室(41)，原子气室内部装有一定数量的碱金属原子(42)，并通过吸收探测光、耦合光制备出里德堡原子，实现射频场参数的测量；所述全反射光纤光栅(5)与包含原子气室的中空光纤(4)连接，分为耦合光全反射光纤光栅(51)和探测光全反射光纤光栅(52)，所述耦合光全反射光纤光栅(51)用于实现耦合光的全反射，将耦合光反射回包含原子气室的中空光纤(4)，提高耦合光利用率，...

【专利技术属性】
技术研发人员：安强，武博，林沂，刘燚，付云起，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：