一种用于冷原子干涉仪的冷却光装调系统及方法与流程

1.本发明涉及冷原子干涉仪的冷却光装调技术领域，具体涉及一种用于冷却光装调的冷却光装调系统及装调方法。


背景技术：

2.三维磁光阱（3d-mot）是利用激光和磁场组合形成的一种势阱，由三对相互正交且具有特定偏振态和频率特性的对射激光和一对反向霍姆赫兹线圈组成。六束激光交会于一点，并且光场交汇点与磁场零点重合形成磁光阱的中心。在超高真空条件下，自由空间中无规则运动的原子会受到激光的减速作用和磁场产生的指向磁光阱中心的束缚力作用，从而被囚禁在磁光阱中心形成冷原子团。该技术已经在冷原子干涉技术领域中得到了广泛应用。
3.冷原子团初始位置和初始速度抖动会严重影响冷原子干涉仪的测量精度。为了保证冷原子团初始位置和初始速度的稳定性，要求三维磁光阱的6束冷却光的功率相同且长期稳定性好、激光偏振稳定性好、入射方向两两正交以及每对冷却光的入射光与反射光路径完全重合。目前常见的产生6束冷却光的方法主要有“六束激光对射法”和“三束激光反射法”。第一种方法用6根光纤产生6束冷却光；第二种方法是用3根光纤产生3束冷却光，在真空腔体上利用反射镜反射这三束冷却光，形成3对所需要的冷却光。
[0004]“三束激光反射法”只需要“六束激光对射法”一半的激光功率，并且反射镜产生的对射的两束冷却光的功率和偏振的相对稳定性优于“六束激光对射法”，但是采用“三束激光反射法”产生冷却激光，主要难点是如何装调并判断反射镜姿态是否达到最佳状态。


技术实现要素：

[0005]
基于上述表述，本发明提供了一种用于冷原子干涉仪的冷却光装调系统，以解决现有技术中反射镜姿态判断和装调困难的技术问题。
[0006]
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于冷原子干涉仪的冷却光装调系统，包括冷却光输入模块、磁光阱真空腔、冷却光收集模块和计算机；所述冷却光输入模块包括激光输入耦合器、激光分束器、激光功率计和光束准直器，所述激光分束器包括至少两个输入端口和至少一个输出端口，所述激光输入耦合器和所述激光功率计分别连接于两个输入端口，所述光束准直器的输入端连接于所述输出端口；所述磁光阱真空腔具有三个通光窗口组，每一个通光窗口组具有两个相对设置的通光窗口，每一个通光窗口组中的一个通光窗口连接有一个所述光束准直器的输出端；另一个通光窗口安装所述冷却光收集模块；所述冷却光收集模块至少包括反射镜、光电探测器和信号采集模块，所述光电探测器用于探测从对应的所述通光窗口射出的激光的功率，所述信号采集模块与所述光电探
测器电连接，用于采集功率信号并传递给所述计算机。
[0007]
与现有技术相比，本技术的技术方案具有以下有益技术效果：本发明提供的冷却光装调系统通过激光分束器的其中一个输入端口连接激光功率计，用于监测反射镜反射的激光功率，显著提高了冷却光的装调精度和效率，有效提升冷原子干涉仪的测量灵敏度和长期稳定性。
[0008]
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0009]
进一步的，所述激光分束器包括三个输出端口，每一输出端口连接一个所述光束准直器。
[0010]
进一步的，所述输出端口设置有偏振调节件，用于将输出端口输出的激光调节至特定的偏振态。
[0011]
进一步的，所述偏振调节件包括一个二分之一波片和一个四分之一波片。
[0012]
进一步的，所述冷却光收集模块还包括一个四分之一波片，所述四分之一波片安装于所述反射镜靠近所述磁光阱真空腔的中心的一侧，所述光电探测器安装于所述反射镜远离所述四分之一波片的一侧，所述四分之一波片的法线与所述反射镜的法线重合。
[0013]
本技术还提供了一种冷却光装调方法，其采用如上所述的冷却光装调系统，包括如下步骤：s1、调节激光输入耦合器的耦合效率使激光分束器输出的激光功率达到最大值；s2、调节激光分束器的分光比例，使激光分束器的每个输出端口输出的激光功率一致；s3、保留其中一个通光窗口组通过的激光并遮挡其他通光窗口组输入的激光，使反射镜反射的激光反向传播输入激光功率计；s4、调节反射镜的姿态，使得输入激光功率计的激光功率达到最大值，确定此时反射镜的姿态为最佳姿态；s5、重复步骤s3和s4，将所有的反射镜调节到最佳姿态；s6、将此时信号采集模块采集到的功率信号作为标定值。
附图说明
[0014]
图1为本发明实施例一提供的一种用于冷原子干涉仪的冷却光装调系统的结构示意图；图2为本发明实施例一中磁光阱真空腔在系统中的连接示意图；图3为本发明实施例二提供的一种冷却光装调方法的步骤示意图。
具体实施方式
[0015]
为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
[0016]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
[0017]
可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
[0018]
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
[0019]
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
[0020]
实施例一如图1所示，本技术提供了一种用于冷原子干涉仪的冷却光装调系统，包括冷却光输入模块1、磁光阱真空腔2、冷却光收集模块3和计算机4。
[0021]
冷却光输入模块1包括激光输入耦合器11、激光分束器12、激光功率计13和光束准直器14，激光分束器12包括两个输入端口12a和三个输出端口12b，激光输入耦合器11和激光分束器12分别连接于两个输入端口12a，光束准直器14的输入端通过光纤连接于输出端口12b。
[0022]
磁光阱真空腔2具有三个通光窗口组，每一个通光窗口组具有两个相对设置的通光窗口，可以理解的是，三个通光窗口组的连线构成三对相互正交的激光通道，每一个通光窗口组的一个通光窗口连接一个光束准直器14的输出端，另一个通光窗口安装冷却光收集模块3，为了方便叙述，将一个通光窗口组的两个通光窗口分别用a和a’表示，本实施例中，a窗口连接一个光束准直器14的输出端，a’窗口就对应连接一个冷却光收集模块3，为了满足磁光阱真空腔2的使用，及需要三个光束准直器14和三个冷却光收集模块3。
[0023]
因此，本实施例中，激光分束器12对应的三个光束准直器14的输出端分别对应安装于一个通光窗口组的其中一个通光窗口上，这样保证了三个激光通道上均有激光射入，需要注意的是，根据磁光阱的工作原理，具体实施时激光在射入磁光阱真空腔2时，激光的入射方向需与通光窗口所在平面垂直设置。
[0024]
另外，在本实施例中，输出端口12b设置有偏振调节件15，用于将输出端口12b输出的激光调节至特定的偏振态，优选的，偏振调节件15包括一个二分之一波片和一个四分之一波片。
[0025]
冷却光收集模块3至少包括反射镜31、光电探测器32和信号采集模块33，光电探测器32用于探测从对应的通光窗口a’射出的激光的功率，信号采集模块33与光电探测器32电连接，用于采集功率信号并传递给计算机。
[0026]
在本实施例优选的实施方式中，冷却光收集模块3还包括一个四分之一波片34，其中，该四分之一波片34安装于反射镜31靠近磁光阱真空腔2的中心的一侧；光电探测器32安
装于反射镜31远离四分之一波片34的一侧，四分之一波片34的法线与反射镜31的法线重合。
[0027]
其利用反射镜31背向光电探测器32监测冷却光功率，调节冷却光功率时无需插拔光纤，显著提高了磁光阱冷却光功率的一致性和长期稳定性，并简化了冷却光功率调节的复杂度。
[0028]
需要解释的是，在实际应用中，光束准直器14一般是通过至少一金属结构件安装在三维磁光阱真空腔体2上，并用螺钉紧固；反射镜31与四分之一波片34和光电探测器32之间至少通过一金属结构件进行转接，并用螺钉紧固，最后整体也用螺钉紧固在三维磁光阱真空腔体2上。本实施例为了更清楚的说明装调方法，因此在附图中未显示紧固用的结构件和螺钉。当然，上述部件的安装方式也不限于上述方法。
[0029]
在本技术另外的一种实施方式中，激光分束器12只有一个输出端口，这样在实际使用时，配备三个激光分束器12即可，在此不做赘述。
[0030]
本技术提供的冷却光装调系统的具体使用和装调过程为：调节激光输入耦合器11的耦合效率，使激光分束器12输出的激光功率最大，其中激光分束器12输出的激光功率可以通过另外引入的激光功率计13检测，然后调节激光分束器12的分光比，使三束输出激光的功率一致。
[0031]
然后转动输出端口12b处的二分之一波片和四分之一波片，调节输出激光至特定的偏振态，然后将三束冷却光分别连接在光束准直器14上。
[0032]
经光束准直器14准直后的三束入射激光垂直通光窗口射入磁光阱真空腔2内，并从相对的通光窗口射出。
[0033]
保留激光分束器12其中一个输出端口12b的激光，并遮挡其他输出端口12b的激光，调节对应的反射镜31的安装姿态，使得反射镜31反射的激光从与激光功率计13连接的输入端口12a射出其光功率达到最大，即激光功率计13输出的光功率信号达到最大值，此时反射镜31为最佳状态，然后采用上述方法将另外两个反射镜31调节至最佳状态。
[0034]
光电探测器32探测反射镜31处于最佳状态的冷却光功率信号，并通过信号采集模块33将其实时传输到计算机34中，记录此时光电探测器32的采集到的功率值，并设置为标定值，此时即完成了冷却光的装调。
[0035]
上述实施例利用激光分束器12输入端口12a监测反射镜31反射的激光功率，显著提高了冷却光的装调精度和效率；并且利用反射镜31背向光电探测器32监测冷却光功率，调节冷却光功率时无需插拔光纤，显著提高了三维磁光阱真空腔体2冷却光功率的一致性和长期稳定性，并简化了冷却光功率调节的复杂度。
[0036]
在冷原子干涉仪使用过程中，计算机4可以实时监测3束冷却光的功率信号，当某束冷却光功率信号偏离所设标定值时，通过调节对应的激光输入耦合器11的耦合效率、输入到激光输入耦合器11的激光功率或者激光分束器12的分光比例，可将激光功率重新调节至标定值，有效提升冷原子干涉仪的测量灵敏度和长期稳定性。
[0037]
实施例二本技术还提供了一种冷却光装调方法，其采用上述实施例的激光装调系统实现。
[0038]
具体的，包括如下步骤：s1、调节激光输入耦合器的耦合效率使激光分束器输出的激光功率达到最大值；
s2、调节激光分束器的分光比例，使激光分束器的每个输出端口输出的激光功率一致；s3、保留其中一个通光窗口组通过的激光并遮挡其他通光窗口组输入的激光，使反射镜反射的激光反向传播输入激光功率计；s4、调节反射镜的姿态，使得输入激光功率计的激光功率达到最大值，确定此时反射镜的姿态为最佳姿态；s5、重复步骤s3和s4，将所有的反射镜调节到最佳姿态；s6、将此时信号采集模块采集到的功率信号作为标定值。
[0039]
该方法显著提高了冷原子干涉仪磁光阱冷却光束的装调精度和效率、功率的一致性和长期稳定性，并简化了冷却光功率调节的复杂度，有效提升冷原子干涉仪的测量灵敏度和长期稳定性。
[0040]
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。