积分球冷原子钟耦合光路的制作方法
【专利摘要】一种积分球冷原子钟耦合光路，构成包括一系列透镜、二分之一波片、四分之一波片、偏振分光棱镜，将冷却光与探测光均从积分球下部通光窗口耦合进积分球。该光路系统减少了积分球表面开孔数量，避免了在磁屏蔽桶、微波腔和C场线圈侧面开孔。本发明积分球冷原子钟耦合光路提高了光学系统的稳定性以及系统内微波场和C场的均匀性。
【专利说明】积分球冷原子钟耦合光路
【技术领域】
[0001]本发明涉及原子钟的光路系统，特别是一种积分球冷原子钟耦合光路。该光路系统可以有效减少积分球表面、磁屏蔽桶、微波腔以及C场的开孔数量，从而提高微波场分布和C磁场的均匀性。
【背景技术】
[0002]在微波冷原子频标领域，对光学系统的稳定性和微波场磁场的要求比较高。在传统的积分球冷原子钟光路系统中，由于冷却光耦合进积分球内需要对外部的磁屏蔽桶、微波腔、C场以及积分球表面的相应位置进行开孔，开孔的位置又恰好处于积分球的中心位置。积分球下方有一个固定的直径约为IOmm开孔用来连接真空系统，在正上方开一个直径约为5_的孔来通过探测光。此外，在积分球中心对称位置还有两个注入冷却光的小孔，为了保证积分球的冷却效果，冷却光小孔直径为2mm左右。而为了保证磁屏蔽效果、微波场的均匀性、C场的均匀性，在磁屏蔽桶、微波腔和C场线圈上对应位置开孔的大小不宜过大，一般不会超过5_，在注入冷却光的时候要让冷却光精确的通过这三个小孔，注入积分球后还要尽量发散，这样不仅增加了机械加工的难度，而且给冷却光耦合进积分球增加了很多困难。这样的光路稳定性也不好，里面的微波场与C场也因为中间的开孔而受到很大影响。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有光路的不足，提供一种积分球冷原子钟耦合光路，该光路可以减少积分球表面开孔数量，避免在磁屏蔽桶、微波腔、和C场线圈的侧面开孔，降低冷却光耦合难度，提高光路系统的稳定性以及内部微波场和C场的均匀性。
[0004]本发明的技术解决方案如下:
[0005]一种积分球冷原子钟耦合光路，特点在于其构成包括石英球泡，该石英球泡的外壁有高反射率涂层，该石英球泡的正顶部的高反膜顶部，该石英球泡的正下方连接石英管，该石英管的下端接六通，该六通经管道接真空系统；该六通与所述的石英管相对的一面为通光窗口，沿石英球泡、石英管和通光窗口的光轴方向由上而下依次是四分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第三二分之一波片、保偏光纤I禹合头，在第一偏振分光棱镜的左边水平方向依次是第一凸透镜和光电管，所述的光电管的感光面位于所述的第一凸透镜的焦平面；在所述的第二偏振分光棱镜的左边水平方向依次是第二二分之一波片和第二凸透镜；
[0006]冷却光平行入射第二凸透镜，第二凸透镜的焦平面位于通光窗口之前，先会聚后发散，经过第二偏振分光棱镜反射依次经第二偏振分光棱镜、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、四分之一波片、通光窗口、石英管进入积分球内部；
[0007]探测光由保偏光纤I禹合头输出依次经第三二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、四分之一波片、通光窗口、石英管直达高反膜顶部，探测光在积分球内形成驻波场，经该高反膜顶部反射后，依次经所述的石英管、通光窗口、四分之一波片、第一偏振分光棱镜反射，经第一凸透镜由所述的光电管接收进行信号探测。
[0008]所述的积分球的高反射率涂层的漫反射率大于97%。
[0009]所述的连接真空的六通通光窗口镀上780nm波长的增透膜。
[0010]所述的第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的消光比在780nm波长达到7000:
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[0011]所述的凸透镜、四分之一波片、二分之一波片镀上780nm波长的增透膜。
[0012]本发明积分球冷原子钟耦合光路，特点在于冷却光与探测光均从积分球底部通光孔耦合进积分球内部。
[0013]所述的冷却光，经过前置光路调节成线偏振平行光，经过长焦透镜后先会聚后发散，会聚后的焦点在六通通光窗口之前，在满足冷却光可以注入积分球内部的前提下可以进行微调。经过二分之一波片改变其偏振，使其经过偏振分光棱镜后完全反射，然后调节下一个二分之一波片改变其偏振，使其经过第二个偏振分光棱镜后绝大部分透射，最后经过四分之一波片进入外面喷涂高反射涂料的石英泡内，经过高反射涂料的漫反射在石英泡内形成各向同性光场。
[0014]所述的探测光由保偏光纤出射，初始状态为线偏振平行光，调节其经过的第一个二分之一波片改变其偏振状态，使其完全透过第一个偏振分光棱镜。然后经过第二个二分之一波片，由于第二个二分之一波片主要保证冷却光的入射功率，所以对于探测光来说，第二个二分之一波片会改变其偏振状态，使得经过第二个偏振分光棱镜的时候反射的探测光会很多，造成损失很大部分探测光。但是实际实验中，我们需要的探测光功率很低，即使损失绝大部分，也足够我们实际使用，因此，这种损失完全在可以接受的范围内。经过第二个偏振分光棱镜后，探测光依然是线偏振平行光，调节下面的四分之一波片，使其变成圆偏振光，入射到镀高反膜的积分球顶部，反射后经过四分之一波片变成与之前偏振方向正交的线偏振光，经过之后的偏振分光棱镜反射，最后经过透镜会聚到光电管上进行信号探测，其中透镜的焦点在光电管的接收平面上。
[0015]本发明的特点和技术效果如下:
[0016]冷却光与探测光均从积分球底部通光窗口耦合进积分球内部，避免了系统侧面开孔，提高了光学系统的稳定性以及内部微波场和C场的均匀性。本发明可以将耦合光路的各部分进行固化处理，更加提高了装置的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明积分球冷原子钟耦合光路结构示意图。
[0018]图2是本发明探测光路的示意图。
[0019]图3是本发明冷却光路的示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0021]先请参阅图1。图1是本发明积分球冷原子钟耦合光路结构示意图。由图可见,本发明积分球冷原子钟耦合光路，构成包括石英球泡01，该石英球泡01的外壁有高反射率涂层02，该石英球泡Ol的正顶部的高反膜顶部03，该石英球泡01的正下方连接石英管04，该石英管04的下端接六通15，该六通15经管道16接真空系统；该六通15与所述的石英管04相对的一面为通光窗口 17，沿石英球泡01、石英管04和通光窗口 17的光轴方向由上而下依次是四分之一波片06、第一偏振分光棱镜08、第一二分之一波片10、第二偏振分光棱镜11、第三二分之一波片14、保偏光纤稱合头5,在第一偏振分光棱镜08的左边水平方向依次是第一凸透镜07和光电管09，所述的光电管09的感光面位于所述的第一凸透镜07的焦平面；在所述的第二偏振分光棱镜11的左边水平方向依次是第二二分之一波片13和第二凸透镜12 ；
[0022]冷却光平行入射第二凸透镜12，第二凸透镜12的焦平面位于通光窗口 17之前，先会聚后发散，经过第二偏振分光棱镜11反射依次经第二偏振分光棱镜11、第一二分之一波片10、第一偏振分光棱镜08、四分之一波片06、通光窗口 17、石英管04进入积分球I内部;
[0023]探测光由保偏光纤I禹合头5输出依次经第三二分之一波片14、第二偏振分光棱镜
11、第一二分之一波片10、第一偏振分光棱镜08、四分之一波片06、通光窗口 17、石英管04直达高反膜顶部03，探测光在积分球内形成驻波场，经该高反膜顶部03反射后，依次经所述的石英管04、通光窗口 17、四分之一波片06、第一偏振分光棱镜08反射,经第一凸透镜07由所述的光电管09接收进行信号探测。
[0024]所述的积分球的高反射率涂层02的漫反射率大于97%。
[0025]所述的连接真空的六通通光窗口 17镀上780nm波长的增透膜。
[0026]所述的第一偏振分光棱镜08和第二偏振分光棱镜11的消光比在780nm波长达到7000:1。
[0027]所述的凸透镜、四分之一波片、二分之一波片镀上780nm波长的增透膜。
[0028]本发明积分球冷原子钟耦合光路的使用方法是:
[0029]请参阅图2。探测光由保偏光纤耦合头05平行光出射，经过第三二分之一波片14、第二偏振分光棱镜11、第一二分之一波片10、第一偏振分光棱镜08、四分之一波片06、镀高反膜球泡顶部03、四分之一波片06、第一偏振分光棱镜008、第一透镜07后由光电管09进行探测。探测光在积分球内形成驻波场，因此探测过程中对冷原子没有多普勒效应。
[0030]请参阅图3。冷却光由平行光入射，经过第二二分之一波片13、第二偏振分光棱镜
11、第一二分之一波片10、第一偏振分光棱镜08、四分之一波片06后进入积分球内部,经过漫反射，在积分球内形成各向同性漫反射光场，进而冷却原子。
[0031]本发明积分球冷原子钟耦合光路结构简单，系统稳定，避免原光路系统侧面开孔的问题，提高了光路系统的稳定性，微波场和C场的均匀性也因此获得了提高。
【权利要求】
1.一种积分球冷原子钟耦合光路，特征在于其构成包括石英球泡(01)，该石英球泡(01)的外壁有高反射率涂层(02 )，该石英球泡(OI)的正顶部的高反膜顶部(03 )，该石英球泡(01)的正下方连接石英管(04)，该石英管(04)的下端接六通(15)，该六通(15)经管道(16)接真空系统；该六通(15)与所述的石英管(04)相对的一面为通光窗口(17)，沿石英球泡(01)、石英管(04)和通光窗口(17)的光轴方向由上而下依次是四分之一波片(06)、第一偏振分光棱镜(08)、第一二分之一波片(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第三二分之一波片(14)、保偏光纤稱合头(5),在第一偏振分光棱镜(08)的左边水平方向依次是第一凸透镜(07)和光电管(09)，所述的光电管(09)的感光面位于所述的第一凸透镜(07)的焦平面；在所述的第二偏振分光棱镜(11)的左边水平方向依次是第二二分之一波片(13)和第二凸透镜(12)； 冷却光平行入射第二凸透镜(12)，第二凸透镜(12)的焦平面位于通光窗口( 17)之前，先会聚后发散，经过第二偏振分光棱镜(11)反射依次经第二偏振分光棱镜(11 )、第一二分之一波片(10)、第一偏振分光棱镜(08)、四分之一波片(06)、通光窗口(17)、石英管(04)进入积分球(O内部， 探测光由保偏光纤I禹合头(5)输出依次经第三二分之一波片(14)、第二偏振分光棱镜(11)、第一二分之一波片(10)、第一偏振分光棱镜(08)、四分之一波片(06)、通光窗口(17)、石英管(04)直达高反膜顶部(03)，探测光在积分球内形成驻波场，经该高反膜顶部(03)反射后，依次经所述的石英管(04)、通光窗口(17)、四分之一波片(06)、第一偏振分光棱镜(08)反射，经第一凸透镜(07)由所述的光电管(09)接收进行信号探测。
2.根据权利要求1所述的积分球冷原子钟耦合光路，其特征在于所述的积分球的高反射率涂层(02)的漫反射率大于97%。
3.根据权利要求1所述的积分球冷原子钟耦合光路，其特征在于所述的连接真空的六通通光窗口镀上780nm波长的增透膜。
4.根据权利要求1所述的积分球冷原子钟稱合光路，其特征在于所述的第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的消光比在780nm波长达到7000:1。
5.根据权利要求1所述的积分球冷原子钟耦合光路，其特征在于所述的凸透镜、四分之一波片、二分之一波片镀上780nm波长的增透膜。
【文档编号】G02F1/01GK104007564SQ201410095964
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】郑本昌, 成华东, 孟艳玲, 刘鹏, 万金银, 肖玲, 王秀梅, 刘亮 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所