一种基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置

本发明属于冷原子干涉，特别涉及一种基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置。

背景技术：

1、原子干涉仪是近三十年来的研究热点，在重力、重力梯度、加速度和转动等物理量的高精度测量领域有着很大优势。在大多数原子干涉仪中，原子团在腔体内受重力作用下无约束自由下落的同时，由于有限温度而面临热膨胀的问题，这对原子干涉仪的测量方向、所需激光束的尺寸、以及真空腔的大小进行了限制。空芯光纤能够将光场限制在空芯区域内进行基模、低损耗传输，利用该光场可在光纤径向上对原子进行约束和在光纤轴向对原子进行长距离导引，实现光纤轴向方向的物理量测量，大幅扩展了原子干涉仪的应用范围。2018年，新加坡南洋理工大学的mingjie xin等人实现了空芯光子晶体光纤内的原子干涉仪，展现了光纤导引式原子干涉仪在精密测量和量子传感领域的巨大前景。2023年，复旦大学的caoyuan wang等人将空芯光纤与带有抗反射涂层的单模光纤熔接在一起，通过优化熔接工艺和参数，实现了低于0.3db的熔接损耗和低于-28db的回波损耗，进一步拓展了空芯光纤的实际应用。

2、光纤导引式原子干涉仪由于需要在空芯光纤内冷却并囚禁原子，相对于普通的原子干涉仪在系统设计上有更多要求。目前，现有技术中空芯光纤整体都被放置于真空腔体内，实际上并未减小系统体积，且不利于对原子团进行操作和观测；光纤导引方案需要将冷却光与偶极囚禁光耦合进入空芯光纤内，且同时保证良好的基模模式，在自由空间将两类激光耦合进入空芯光纤的难度较大、操作复杂。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提出了一种基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，该装置将空芯光纤与单模光纤熔接在一起，确保极低损耗的同时有效保证原子冷却所需的激光模式。同时该装置可减小真空腔体尺寸，提高系统紧凑性和稳定性，无需空间耦合光路，大幅简化光路设计。

2、本发明的技术方案具体如下：

3、一种基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，包括：真空箱、碱金属原子生成设备、抽真空设备、空芯光纤、单模光纤、梯度磁场线圈、ccd相机；

4、所述真空箱由两个真空腔体以及连通两个真空腔体的管道构成；

5、所述两个真空腔体一个连接抽真空设备，另一个连接碱金属原子生成设备；

6、所述空芯光纤的两端分别伸入两个真空腔体中，且位于真空腔体内的两端开设有径向孔，所述空芯光纤的两端均与单模光纤连接；

7、所述与空芯光纤两端连接的单模光纤分别从两个真空腔体中伸出腔外，且位于真空腔体外的一端设有径向孔；

8、所述空芯光纤的中部设有梯度磁场线圈；

9、x方向冷却光和偶极囚禁光经单模光纤由轴向进入空芯光纤内；

10、ccd相机用于实现对空芯光纤内的冷原子团的观测。

11、优选的，所述碱金属原子生成设备内装有碱金属释放剂，碱金属释放剂通电后向真空腔体释放碱金属原子。

12、优选的，所述抽真空设备为真空泵。

13、优选的，所述x方向冷却光为一对光相互对射，x方向偶极囚禁光为单束激光。

14、优选的，还包括y方向冷却光和z方向冷却光，y方向冷却光和z方向冷却光均为一对光相互对射，由空芯光纤径向透射进入空芯光纤中，且x方向冷却光、y方向冷却光和z方向冷却光汇聚于空芯光纤内一点。

15、优选的，所述空芯光纤与真空腔体密封连接。

16、优选的，所述空芯光纤与单模光纤熔接。

17、优选的，所述梯度磁场线圈为一对，环绕于空芯光纤外侧。

18、优选的，所述x方向冷却光、y方向冷却光、z方向冷却光和梯度磁场线圈形成磁光阱，在磁场中心形成冷原子团。

19、优选的，所述x方向偶极囚禁光在空芯光纤内形成偶极势阱，对冷原子施加光纤径向约束。

20、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

21、1.本发明的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，结构简单，能够节省真空腔体积，有利于装置小型化，提高系统紧凑性。

22、2.本发明的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置利用光纤熔接工艺使空芯光纤与单模光纤连接，原子冷却与囚禁实验的相关激光无需从空间耦合光路，大幅简化光路设计，实验操作便捷。

技术特征：

1.一种基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，包括：真空箱、碱金属原子生成设备、抽真空设备、空芯光纤、单模光纤、梯度磁场线圈和ccd相机；

2.根据权利要求1所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述碱金属原子生成设备内装有碱金属释放剂，碱金属释放剂通电后向真空腔体释放碱金属原子。

3.根据权利要求1所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述抽真空设备为真空泵。

4.根据权利要求1所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述x方向冷却光为一对光相互对射，x方向偶极囚禁光为单束激光。

5.根据权利要求4所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，还包括y方向冷却光和z方向冷却光，y方向冷却光和z方向冷却光均为一对光相互对射，由空芯光纤径向透射进入空芯光纤中，且x方向冷却光、y方向冷却光和z方向冷却光汇聚于空芯光纤内一点。

6.根据权利要求1所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述空芯光纤与真空腔体密封连接。

7.根据权利要求1所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述空芯光纤与单模光纤熔接。

8.根据权利要求1所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述梯度磁场线圈为一对，环绕于空芯光纤外侧。

9.根据权利要求4所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述x方向冷却光、y方向冷却光、z方向冷却光和梯度磁场线圈形成磁光阱，在磁场中心形成冷原子团。

10.根据权利要求4所述的基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，其特征在于，所述x方向偶极囚禁光在空芯光纤内形成偶极势阱，对冷原子施加光纤径向约束。

技术总结
本发明属于冷原子干涉技术领域，特别涉及一种基于光纤熔接的光纤内原子冷却与囚禁装置，该装置包括真空箱、碱金属原子生成设备、抽真空设备、空芯光纤、单模光纤、梯度磁场线圈、CCD相机。其中，空芯光纤与单模光纤熔接在一起，确保极低损耗的同时有效保证原子冷却所需的激光模式。同时该装置可减小真空腔体尺寸，提高系统紧凑性和稳定性，无需空间耦合光路，大幅简化光路设计。

技术研发人员：李玮,韩睿,宋凝芳,徐小斌,宋一桐,高乘春,戴诚
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：2024/2/1