荧光探测系统的制作方法

本发明属于原子物理和精密测量领域，具体涉及对微弱荧光信号探测的荧光探测系统。

背景技术：

1、通过操控原子量子态变化，实现原子物理特性研究、精密测量的技术，可以应用在量子通信，原子钟，原子重力仪，量子模拟等多个领域。原子精密测量结果以原子量子态分布形式表现，可采用特定激光激发原子产生荧光辐射，通过探测荧光辐射强度获取测量结果。

2、上述原子跃迁产生荧光信号，在对荧光信号探测的过程中，首先需要对荧光信号进行收集，然而，利用现有技术收集荧光信号的过程中通常存在如下问题：

3、1. 原子跃迁产生的荧光随机发射，在全空间角内分布；

4、2. 由于荧光在全空间角分布角，因此，当荧光所在腔体较大时，会导致荧光在腔体内十分发散，而探测器所能对应的空间立体角较小，导致荧光信号的收集较为困难，收集效率急剧降低；

5、3. 基于上述荧光信号收集不易的问题，现有技术中通过使用多个探测器进行收集，不但使得成本较高，而且探测器产生的噪声也会进一步加强，不利于微弱信号探测；此外也会对多个探测器响应时间的一致性提出更高要求。

6、如何提升微弱荧光的收集比例，提高荧光探测信噪比，进而直接提升量子精密测量精准度是目前需要研究的课题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种适用于微弱荧光信号探测的荧光收集系统，通过在荧光信号所在的真空腔体的相对侧分别设置反射结构和探测结构，提升对于原子团或者原子束的荧光收集比例，进而提升量子精密测量探测信噪比。

2、本发明提供一种荧光探测系统，所述荧光探测系统包括：原子束流发生装置，用于发射原子束流；密闭真空腔，设置于所述原子束流发射装置的一侧，所述原子束流在所述密闭真空腔中被激发而产生荧光，所述荧光随机地向所述密闭真空腔的内壁出射；反射结构和光电探测装置，在垂直所述原子束流的方向上，所述反射结构和所述光电探测装置分别位于所述密闭真空腔相对的底部和顶部；其中，所述反射结构用于反射出射至所述密闭真空腔底部的所述荧光，使得所述荧光重新出射至所述真空腔顶部并被所述光电探测装置接收。

3、在一些实施例中，所述反射结构为反射涂层，所述反射涂层覆盖在所述密闭真空腔底部的腔壁外侧，位于所述密闭真空腔外。

4、在一些实施例中，所述反射结构为反射棱镜结构，所述反射棱镜结构的平坦一侧固定连接于所述密闭真空腔底部的腔壁外侧，位于所述密闭真空腔的外侧；其中，所述反射棱镜结构包括单一角锥棱镜，或者，多个微型角锥棱镜组成的角锥棱镜阵列。

5、在一些实施例中，所述反射结构为凹面反射镜，所述原子束流到所述凹面反射镜之间的距离为所述凹面反射镜的焦距1-2倍。

6、在一些实施例中，所述反射结构为第二凸透镜和平面反射镜的组合反射结构，所述第二凸透镜位于所述密闭真空腔的底部的外侧和所述平面反射镜的反射平面之间，所述第二凸透镜和所述原子束流之间的距离等于所述第二凸透镜的焦距；其中，出射至所述密闭真空腔底部的荧光，经所述第二凸透镜汇聚后继续出射至所述反射平面，经所述反射平面反射后，再经所述第二凸透镜向上出射，并从所述密闭真空腔的顶部出射，并被所述光电探测装置接收。

7、在一些实施例中，还包括第一凸透镜，所述第一凸透镜设置于所述密闭真空腔的顶部和所述光电探测装置之间，从所述密闭真空腔的顶部出射的所述荧光经所述凸透镜汇聚后，被所述光电探测装置接收；其中，所述第一凸透镜和所述原子束流之间的距离为所述第一凸透镜的焦距的1-2倍。

8、在一些实施例中，所述第一凸透镜和所述光电探测装置之间的距离为小于等于所述第一凸透镜的两倍焦距。

9、在一些实施例中，所述光电探测装置紧贴于所述密闭真空腔顶部的腔壁外侧。

10、在一些实施例中，所述光电探测装置完全覆盖所述密闭真空腔顶部的腔壁外侧。

11、在一些实施例中，所述密闭真空腔相对的顶部和底部的腔壁设置为透明。

12、与现有技术相比，本申请提供一种荧光探测系统，在原子束流的垂直方向上，布置位于原子束流相对两侧的反射结构和光电探测装置，通过反射结构，约束出射至密闭真空腔底部腔壁的荧光重新出射至密闭真空腔顶部腔壁处，与初始出射至密闭真空腔顶部的荧光一并从密闭真空腔顶部腔壁出射至光电探测装置，降低原子跃迁产生的荧光信号收集难度，大大提高荧光收集率。同时，由于仅使用了一块光电探测器，对光电探测器的要求降低，成本也有所降低，并且荧光收集效率可以达到50%-100%的提升。另外，在荧光从密闭真空腔顶部或者底部出射的光路上增加透镜系统（凹、凸透镜），实现对荧光进行汇聚，降低对光电探测器通光口径的要求，进而光电探测器产生的噪声大大降低。

技术特征：

1.一种荧光探测系统，其特征在于，所述荧光探测系统包括：

2.根据权利要求1所述的荧光探测系统，其特征在于，所述反射结构为反射涂层，所述反射涂层覆盖在所述密闭真空腔底部的腔壁外侧，位于所述密闭真空腔外。

3.根据权利要求1所述的荧光探测系统，其特征在于，所述反射结构为反射棱镜结构，所述反射棱镜结构的平坦一侧固定连接于所述密闭真空腔底部的腔壁外侧，位于所述密闭真空腔的外侧；其中，所述反射棱镜结构包括单一角锥棱镜，或者，多个微型角锥棱镜组成的角锥棱镜阵列。

4.根据权利要求1所述的荧光探测系统，其特征在于，所述反射结构为凹面反射镜，所述原子束流到所述凹面反射镜之间的距离为所述凹面反射镜的焦距1-2倍。

5.根据权利要求1所述的荧光探测系统，其特征在于，所述反射结构为第二凸透镜和平面反射镜的组合反射结构，所述第二凸透镜位于所述密闭真空腔的底部的外侧和所述平面反射镜的反射平面之间，所述第二凸透镜和所述原子束流之间的距离等于所述第二凸透镜的焦距；

6.根据权利要求2至5中任一项所述的荧光探测系统，其特征在于，还包括第一凸透镜，所述第一凸透镜设置于所述密闭真空腔的顶部和所述光电探测装置之间，从所述密闭真空腔的顶部出射的所述荧光经所述凸透镜汇聚后，被所述光电探测装置接收；

7.根据权利要求6所述的荧光探测系统，其特征在于，所述第一凸透镜和所述光电探测装置之间的距离为小于等于所述第一凸透镜的两倍焦距。

8.根据权利要求2至5中任一项所述的荧光探测系统，其特征在于，所述光电探测装置紧贴于所述密闭真空腔顶部的腔壁外侧。

9.根据权利要求8所述的荧光探测系统，其特征在于，所述光电探测装置完全覆盖所述密闭真空腔顶部的腔壁外侧。

10.根据权利要求3至5中任一项所述的荧光探测系统，其特征在于，所述密闭真空腔相对的顶部和底部的腔壁设置为透明。

技术总结
本发明提供一种对微弱荧光信号探测的荧光探测系统，包括：原子束流发生装置，用于发射原子束流；密闭真空腔，设置于所述原子束流发射装置的一侧，所述原子束流在所述密闭真空腔中被激发而产生荧光，所述荧光随机地向所述密闭真空腔的内壁出射；反射结构和光电探测装置，在垂直所述原子束流的方向上，所述反射结构和所述光电探测装置分别位于所述密闭真空腔相对的底部和顶部；其中，所述反射结构用于反射出射至所述密闭真空腔底部的所述荧光，使得所述荧光重新出射至所述真空腔顶部并被所述光电探测装置接收。上述荧光探测系统降低原子跃迁产生的荧光信号收集难度，大大提高荧光收集率。

技术研发人员：屈求智,王旭成,董功勋,梁宇航,吴冲,余兴新
受保护的技术使用者：凯瑟斯技术（杭州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16