一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置

摘要

本发明提供了一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，包括激光器、真空腔体、平凹镜和相位调节器，所述的真空腔体相对两侧分别开有一个透明窗口，冷原子样品放置在真空腔体内；所述的平凹镜分别安装在透明窗口外，凹面相对；所述的激光器出射的激光依次穿过其中一个平凹镜、透明窗口、冷原子样品和透明窗口后，被另一个平凹镜原路反射，从而激光在冷原子样品处多次相干叠加；所述的另一个平凹镜能够在相位调节器的驱动下沿激光光路移动。本发明能够实现晶格场相位可调节和锁定，装置简单小巧。

权利要求

1.一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，包括激光器、真空腔体、平凹镜和相位调节器，其特征在于：所述的真空腔体相对两侧分别开有一个透明窗口，冷原子样品放置在真空腔体内；所述的平凹镜分别安装在透明窗口外，凹面相对；所述的激光器出射的激光依次穿过其中一个平凹镜、透明窗口、冷原子样品和透明窗口后，被另一个平凹镜原路反射，从而激光在冷原子样品处多次相干叠加；所述的另一个平凹镜能够在相位调节器的驱动下沿激光光路移动。

2.根据权利要求1所述的可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，其特征在于：所述的激光器为无TA放大结构的可调谐半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，其特征在于：所述的两个平凹镜曲率半径相等。

4.根据权利要求1所述的可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，其特征在于：所述的平凹镜中，激光透射的平凹镜的凹面真空交替蒸镀二氧化硅增透膜和二氧化锆增透膜，共真空交替蒸镀10～12层；激光反射的平凹镜的凹面真空交替蒸镀氟化镁高反膜和氟化钙高反膜，共真空交替蒸镀10～15层。

5.根据权利要求1所述的可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，其特征在于：所述的相位调节器采用S-303.OL相位调节器，最大行程为3μm，重复精度为0.7nm。

6.根据权利要求1所述的可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置，其特征在于：所述的相位调节器在控制单元驱动下运动或锁定位置。

说明书

一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置

技术领域

[0001] 本发明属于冷原子技术领域，具体涉及一种晶格场装置。

背景技术

[0002] 原子光钟作为目前国际上最新一代基准原子钟，具有超高的频率准确度和稳定度。原子光钟通过超冷原子样品制备提供高精度光学频率标准源，光晶格的装载是冷原子样品制备中非常关键的一步，光晶格装载原子的数目、密度和稳定性直接影响钟跃迁谱线的信噪比，进一步影响光钟最终的稳定度。

[0003] 搭建原子光钟的晶格场，需要的激光光功率很大，才能实现足够的阱深来囚禁冷原子。目前光钟系统中用于光晶格搭建的激光器一般采用钛宝石激光器或者是带有TA放大结构的半导体激光器，以此来获得高功率的激光输出，满足实验要求，但这样的激光光源不仅经济成本高且体积庞大。通常搭建光晶格都是通过透镜和透镜+反射镜来实现的，如图1所示，这样的实现手段不仅稳定性和可调谐性差，而且增加了系统的复杂性。因此，为了减小激光器的体积，降低系统的复杂性，同时增加系统的可调性和稳定性，提供一种可实现功率增强、相位可调又可锁定的晶格场装置显得尤为重要。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可实现功率增强、相位可调又可锁定的晶格场装置，能够实现晶格场相位可调节和锁定，装置简单小巧。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可实现功率增强、相位可调又可锁定的晶格场装置，包括激光器、真空腔体、平凹镜和相位调节器。

[0006] 所述的真空腔体相对两侧分别开有一个透明窗口，冷原子样品放置在真空腔体内；所述的平凹镜分别安装在透明窗口外，凹面相对；所述的激光器出射的激光依次穿过其中一个平凹镜、透明窗口、冷原子样品和透明窗口后，被另一个平凹镜原路反射，从而激光在冷原子样品处多次相干叠加；所述的另一个平凹镜能够在相位调节器的驱动下沿激光光路移动。

[0007] 所述的激光器为无TA放大结构的可调谐半导体激光器。

[0008] 所述的两个平凹镜曲率半径相等。

[0009] 所述的平凹镜中，激光透射的平凹镜的凹面真空交替蒸镀二氧化硅增透膜和二氧化锆增透膜，共真空交替蒸镀10～12层；激光反射的平凹镜的凹面真空交替蒸镀氟化镁高反膜和氟化钙高反膜，共真空交替蒸镀10～15层。

[0010] 所述的相位调节器采用S-303.OL相位调节器，最大行程为3μm，重复精度为0.7nm。

[0011] 所述的相位调节器在控制单元驱动下运动或锁定位置。

[0012] 本发明的有益效果是：具有将入射激光功率增益放大的性能，且能调节和锁定晶格场的相位，最终提高晶格场装载原子的数目和密度，实现光晶格对锶原子的最强稳定束缚。这不仅大大简化了晶格场激光光源和系统的复杂性，还进一步提高了晶格场的稳定性。

[0013] 晶格激光的光强增加，根据势阱深度的计算公式可知，囚禁势阱深度与光强成线性关系。因此当晶格光腰斑处的光强增加时，则相应地势阱深度线性增加。保证一定的势阱深度，如果使用该增益腔，将大大减小入射光功率。在激光最小光斑位置，即腰斑处的囚禁势阱最深，因此将晶格激光腰斑与冷原子样品位置重合后，可实现对冷原子的最强束缚。激光器发出的激光束通过平凹镜M1和真空装置后到达平凹镜M2，平凹镜M1和平凹镜M2形成了一个对称非共焦腔，入射的激光在线性增益腔内会来回反射，并且是同相位相干叠加，就可以使腔内的光场强度大于输入光的强度。进一步通过微调节平凹镜M2后的相位调节器，使得入射激光和反射激光的束腰与冷原子样品完全重合，即实现了原子团的最强束缚。如此，使用本发明实现了对入射激光功率放大，一方面大大减小光晶格光源的入射功率，增强了激光腰斑处的激光光强，且进一步通过相位调节器改变反射光的相位，使得来回反射光的束腰与冷原子样品位置的很好重合，这样显著提高原子数目和密度，实现光晶格对锶原子的最强束缚；另一方面激光输出后无需TA放大结构或其他的功率放大方法，减小激光器的体积，同时也降低了系统的复杂性。

附图说明

[0014] 图1是现有技术的原理示意图；

[0015] 图2是本发明实施例的结构示意图；

[0016] 图中，1-激光器，2-真空装置，3-平凹镜M1，4-平凹镜M2，5-相位调节器，6-控制单元，7-原子加热炉，8-冷原子样品，9-EMCCD，10-安装板。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

[0018] 本发明克服了光钟系统中光晶格装载时所需晶格光激光光源输出功率大，激光器体积过大的缺点，同时实现晶格场相位可调节和锁定，使入射光和反射光能很好地重合，实现同相位的相干叠加，最终完成稳定的晶格驻波场的搭建，能够广泛应用于各类中性原子光钟，在光晶格中获得数目多，密度大的冷原子样品，提高光钟钟跃迁信号的信噪比。

[0019] 本发明的技术方案如下：

[0020] 在安装板上设置有激光器、真空装置和冷原子样品，激光器的激光出射垂直于真空装置的一个法兰窗口，在该法兰窗口的一侧安装一个平凹镜M1，另一侧也安装同样的平凹镜M2，这就构成了一个类似于F-P线性增益腔的结构。本发明的激光功率增强放大装置为：安装板上的平凹镜M1和平凹镜M2，激光通过该线性增益腔，激光会在该腔体内多次相干叠加，实现对射入激光光功率放大的作用。将平凹镜M2安装了一个相位调节器，相位调节器外部连接控制单元，控制单元通过内部或外部输入控制信号来驱动相位调节器在水平方向的伸缩移动，其最大的行程为3μm，精度可以控制在0.7nm，带动平凹镜M2的实现微小位置移动，进而改变反射光的相位，当入射激光和反射激光的腰斑完全重合后，此时光晶格可以从EMCCD上观察到，其亮度达到最亮，然后通过控制单元里的PID反馈电路将M2平凹镜进行锁定，这样就完成了对激光相位的控制和锁定。

[0021] 所述的激光器为无TA放大结构的可调谐半导体激光器。

[0022] 本发明的平凹镜M1和平凹镜M2的曲率半径相等。

[0023] 本发明的平凹镜M1的镜面上真空交替蒸镀的增透膜为二氧化硅和二氧化锆，真空交替蒸镀10～12层，透射率为99.98％，即反射率为0.02％；平凹镜M2的镜面上真空蒸镀的高反膜为氟化镁和氟化钙，真空交替蒸镀10～15层，透射率为0.01％，即反射为99.99％。

[0024] 本发明的S-303.OL相位调节器的最大行程为3μm，重复精度为0.7nm。

[0025] 如图2所示，本发明以锶原子光晶格钟为例，提供的可实现功率增强、相位可调的晶格场装置由激光器1、真空装置2，M1平凹镜3、M2平凹镜4、相位调节器5、控制单元6、原子加热炉7、冷原子样品8、EMCCD9、安装板10连接构成。

[0026] 安装板10上用螺纹紧固连接件固定联接有激光器1、真空装置2、原子加热炉7，在真空装置2的几何中心处有冷原子样品8。激光器1、真空装置2、原子加热炉7、EMCCD9位于同一个水平面内，激光器1为本发明提供激光光源，激光通过M1平凹镜3和真空装置2的几何中心处的冷原子样品8，进一步被M2平凹镜4反射，激光就在由M1平凹镜3和M2平凹镜4形成的线性增益腔内来回反射，最终入射的激光功率得到增益放大，并通过相位调节器5和控制单元6改变反射光的相位，通过观察晶格装载原子团在EMCCD9上呈现的图像和亮度，即可确定激光的束腰是否刚好位于冷原子样品8的位置处，如果此时亮度实现最亮，说明来回反射的激光束腰已经与冷原子样品8实现很好地重合，即可锁定相位调节器5。

[0027] 与原有的光晶格搭建技术相比，采用该发明的技术可以实现激光功率放大50倍(即腔增益为50倍，设腔内的损耗δ＝0.01)，且实现了晶格场相位可调谐和锁定。以锶原子光钟为例，当光晶格阱深为95μK时，原813nm激光器需要输入功率为840mW，腰斑大小为38μm，对于驻波场，此时的激光光强为37.5kW/cm2，如果为选用该线性增益腔(腔增益为50倍)，当增益腔长L＝200mm，813nm激光器输入功率为117mW，则可以实现腰斑为50μm，阱深95μK的光晶格，对应光强为74.25kW/cm2；当增益腔长L＝500mm，813nm激光器输入功率为191mW，则可以实现腰斑为64μm，阱深95μK的光晶格，对应光强为74.5kW/cm2。