一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统及方法

本发明涉及空芯光纤冷原子导引，具体涉及一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统及方法。

背景技术：

1、空芯光子晶体光纤作为量子传感、光存储等领域的实验平台时，在偶极光场作用下能对原子团进行光纤内的囚禁和长距离导引，且能够大幅增强光与原子之间的相互作用强度，具有极大的研究价值。但传统的空芯光纤冷原子导引方案会增加空间光路以及系统复杂度，不利于导引装置的小型化、工程化应用。利用金字塔磁光阱进行冷原子团制备可以对传统空芯光纤导引装置的光路进行简化。。

2、现有金字塔型空间冷原子干涉仪方案如图1所示，采用这种金字塔磁光阱制备冷原子团能够大幅简化空芯光纤导引型冷原子干涉仪空间光路，降低系统复杂度。但这种方案直接应用于空芯光纤导引装置时，会导致金字塔磁光阱竖直的方向总存在一部分无反射光的区域，如图2所示。在竖直方向上原子受力不平衡，无法形成稳定的冷原子团。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决上述问题，将金字塔磁光阱技术与空芯光纤冷原子导引技术相结合，可以从入射激光角度倾斜以及反射镜设置方式两个角度进行改进，在本发明的同一发明人的其他专利申请中提出了设置倾斜的激光入射角的改进方案，在本发明中，改进方案在于对反射镜设置方向的调整，具体为利用由四块直角反射镜棱镜和一块平面反射镜底座构成的类金字塔反射镜，并将其横向安装在真空腔侧壁，光纤竖直放置于直角反射镜棱镜之间的间隙之中，进而巧妙地解决了现有类金字塔磁光阱方案在空芯光纤导引中应用时反射光缺失的问题，形成稳定的冷原子团。这种结构仅需一束冷却光束即可完成冷原子团的冷却、陷俘，有效降低了现有空芯光纤导引系统的空间光路复杂度，减小了其真空系统尺寸，实现了整个导引系统的轻量化。

2、采用的技术方案如下：

3、一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统，包括：

4、真空腔、位于所述真空腔之中的第一准直激光、类金字塔磁光阱、冷原子团导引模块以及真空腔外部的冷原子探测模块；通过所述第一准直激光提供冷却光和泵浦光；其中，

5、所述类金字塔磁光阱包括反亥姆霍兹线圈组和类金字塔反射镜；所述类金字塔型反射镜横向沿水平方向安装在所述真空腔侧壁；所述第一准直激光以沿水平方向的x轴正方向入射到所述类金字塔型反射镜中心，经所述类金字塔型反射镜反射后的反射光在三个维度上形成三对传播方向相反，相互正交的圆偏振光束，所述圆偏振光束与所述反亥姆霍兹线圈组组成类金字塔磁光阱，所述类金字塔磁光阱能够对真空腔内的室温原子气体进行冷却、陷俘，从而形成冷原子团；

6、所述冷原子团导引模块包括第二准直激光中的远红失谐导引光，聚焦透镜，第一短波通二向色镜，空芯反谐振光纤；所述空芯反谐振光纤竖直放置于类金字塔型反射镜在竖直方向上下半部的反射镜的间隙之中；所述第二准直激光包括远红失谐导引光和共振探测光，所述第二准直激光经过所述聚焦透镜后由所述第一短波通二向色镜反射，反射后的所述第二准直激光耦合进入所述空芯反谐振光纤；

7、所述冷原子探测模块包括第二准直激光中的共振探测光，准直透镜，第二短波通二向色镜，光电探测器；从所述空芯反谐振光纤输出的激光通过所述准直透镜，准直后的所述远红失谐导引光由所述第二短波通二向色镜反射，所述共振探测光透过第二短波通二向色镜并由光电探测器进行探测。

8、进一步，所述类金字塔反射镜底部通过底座固定于真空腔的侧壁，所述类金字塔型反射镜由第一直角反射镜棱镜，第二直角反射镜棱镜，第三直角反射镜棱镜，第四直角反射镜棱镜，底部平面反射镜组成，其中，所述第一、第二直角反射镜棱镜设置在竖直方向上半部，所述第三、第四直角反射镜棱镜设置在竖直方向下半部。

9、进一步，所述空芯反谐振光纤沿竖直方向的y轴放置于设置在所述第三、第四直角反射镜棱镜之间的间隙之中，所述空芯反谐振光纤的上端面低于冷原子团的位置。

10、进一步，通过所述类金字塔型反射镜改变冷却光偏振态，使冷却光的反射光的s波和p波之间产生180°相移，从而在三个维度上分别产生三对传播方向相反，相互正交的圆偏振光束。

11、一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统的导引方法，具体步骤如下：

12、第一阶段，冷原子团的制备：打开所述第一准直激光，所述第一准直激光中的冷却光束沿x轴正方向入射所述类金字塔型反射镜中心，所述类金字塔型反射镜可以改变冷却光偏振态，使所述冷却光的反射光的s波和p波之间产生180°相移；所述反射光在三个维度上分别形成三对互相垂直、传播方向相反、偏振方向彼此正交的圆偏振冷却光束；所述圆偏振光束与所述反亥姆霍兹线圈组组成类金字塔磁光阱，能够对真空腔内的室温原子气体进行冷却、陷俘，从而形成冷原子团；

13、第二阶段，冷原子导引阶段：关闭第一准直激光释放第一阶段产生的所述冷原子团，打开所述远红失谐导引光，所述远红失谐导引光经过聚焦透镜后由第一短波通二向色镜反射，所述远红失谐导引光经第一短波通二向色镜全部反射，反射后的所述远红失谐导引光耦合进入空芯反谐振光纤，同时，所述冷原子团在所述远红失谐导引光偶极力的作用下被装载进入空芯反谐振光纤中，并形成光纤内冷原子团；

14、第三阶段，冷原子探测阶段：关闭所述远红失谐导引光，打开所述共振探测光，使用所述光电探测器探测所述光纤内冷原子对于所述共振探测光的吸收程度，从而计算出导引进入所述空芯反谐振光纤的所述冷原子数目。

15、进一步，在所述第二阶段中，逐渐降低泵浦光和冷却光功率，并增大冷却光的失谐量，通过偏振梯度冷却的方式将冷原子团的温度进一步降低至μk量级。

16、本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

17、1.本发明将类金字塔型磁光阱与空芯光纤原子导引方案结合，并在此基础上通过将所述类金字塔反射镜的横向设置巧妙地解决了传统金字塔磁光阱方案应用于空芯光纤导引时由于光纤的存在导致金字塔中心位置反射光缺失的问题。也无需将入射冷却光倾斜设置，减去调整倾斜角度的设置，操作简便。

18、2.本发明的系统有效简化了空芯光纤导引式冷原子干涉仪的系统复杂程度、显著增强系统的鲁棒性；为空芯光纤导引式冷原子干涉仪的小型化、集成化，工程化应用奠定基础。

技术特征：

1.一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统，其特征在于，所述类金字塔反射镜底部通过底座固定于真空腔的侧壁，所述类金字塔型反射镜由第一直角反射镜棱镜，第二直角反射镜棱镜，第三直角反射镜棱镜，第四直角反射镜棱镜，底部平面反射镜组成，其中，所述第一、第二直角反射镜棱镜设置在竖直方向上半部，所述第三、第四直角反射镜棱镜设置在竖直方向下半部。

3.根据权利要求2所述的一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统，其特征在于，所述空芯反谐振光纤沿竖直方向的y轴放置于所述第三、第四直角反射镜棱镜之间的间隙之中，所述空芯反谐振光纤的上端面低于冷原子团的位置。

4.根据权利要求3所述的一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统，其特征在于，通过所述类金字塔型反射镜改变冷却光偏振态，使冷却光的反射光的s波和p波之间产生180°相移，从而在三个维度上分别产生三对传播方向相反，相互正交的圆偏振光束。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统的导引方法，其特征在于，具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的导引方法，其特征在于，在所述第二阶段中，逐渐降低泵浦光和冷却光功率，并增大冷却光的失谐量，通过偏振梯度冷却的方式将冷原子团的温度进一步降低至μk量级。

技术总结
本发明涉及空芯光纤冷原子导引技术领域，具体涉及一种轻量化空芯光纤冷原子导引系统及方法。所述导引系统包括：真空腔、第一准直激光、位于所述真空腔之中的类金字塔磁光阱、冷原子团导引模块以及冷原子探测模块；类金字塔磁光阱包括类金字塔型反射镜和反亥姆霍兹线圈组，所述类金字塔型反射镜横向沿水平方向安装在所述真空腔侧壁；通过所述第一准直激光提供冷却光和泵浦光，所述第一准直激光以沿水平方向的x轴正方向入射所述真空腔，之后垂直照射在所述类金字塔型反射镜中心。本发明巧妙地解决了现有金字塔磁光阱方案在空芯光纤冷原子导引中应用时反射光缺失的问题，形成稳定的冷原子团，能够减小真空系统尺寸，实现了整个导引系统的轻量化。

技术研发人员：李玮,高乘春,宋一桐,韩睿,戴诚,徐小斌,宋凝芳
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25