一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置的制作方法

1.本发明涉及一种冷原子束缚装置，尤其涉及一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，属于冷原子束缚领域。


背景技术：

2.随激光冷却原子技术的发展，原子物质波干涉技术在高分辨力、高准确度的量子计量技术中发挥了重要作用。在绝对重力加速度、重力梯度、角速度、加速度及时频的测量精度方面，物质波干涉技术都有超越传统方法的绝对优势，特别是在重力加速度测量方面，原子干涉测量技术被公认为未来用于重力加速度最高计量标准的先进技术。
3.基于磁光阱原理的冷原子束缚技术在原子干涉测量中发挥了重要的作用。以冷原子干涉重力仪为例，其具体测量方式为，在超高真空环境下抓取冷原子团，令其在重力场中自由下落，通过拉曼光与下落原子相互作用，实现分束、翻转、合束等在内的原子干涉过程，并通过干涉条纹提取出重力信息。其中，利用激光制冷、磁光阱技术实现的原子团抓取是实现量子精密测量的基础条件。
4.三维磁光阱一般由六束冷却激光、一束再泵浦光、一对反亥姆霍兹线圈构成，其中冷却光分为三对激光相向照射，三对激光两两垂直，在原点处交汇，构成光阱，反亥姆霍兹线圈提供原点处为零的线性梯度磁场，其轴向与一对激光重合，构成磁阱。为满足磁光阱几何构型需求，同时满足超高真空环境，目前国际上一般采用多面体式金属真空腔结构，需开设多个窗口，体积较大，重量较沉，难于搬运，从而难以满足重力测量对实地测量的需求；同时其冷却光光路各自通过腔体表面固定位置进入真空腔，使得真空系统与光路系统互相耦合，既大幅增加设计、安装成本，也难于进行优化调整。
5.为解决这些工程化应用需求，近年来全透明真空腔技术逐渐开始应用于量子精密测量，真空腔体整体由石英、微晶玻璃等透明材料构成，相较于传统金属腔体，全透明真空腔拥有重量小、真空度更高等优势，然而由于玻璃等透明材质的特点，难以实现在腔体表面固定多光路的磁光阱结构，目前的光路结构需要玻璃腔外围多位置分别固定，导致整体测量系统仍有体积较大、难于搬运的缺点，同时光路结构与真空腔位置相对固定，真空系统与光学系统彼此耦合的缺点依然存在，光路调节须原位进行，导致光路结构难于对准、优化，进一步阻碍了量子测量系统的工程化。
6.由于上述原因，需要研究一种结构小巧、光路灵活、独立于真空系统的基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚模块。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的是提供一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，基于磁光阱原理实现冷原子束缚，通过真空模块与光路模块分离，实现磁光阱与真空腔分离的一体式光路结构，有助于量子精密测量系统功能模块化，进一步推进量子测量系统的小型化、轻量化与工程化。
8.本发明通过如下技术方案实现上述目的：
9.本发明公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，包括光路支撑骨架、光学镜筒及光学元件、反亥姆赫兹线圈、拉曼光学平台、底部固定座。
10.所述光路支撑骨架主体为光路支撑骨架上方圆环和光路支撑骨架下方圆环，在每一圆环上均有3个相对水平面倾斜固定角度的圆形切面，且在同一水平面内均匀分布。上方圆环的3个圆形切面和下方圆环的3个圆形切面搭配为三对，每对圆形切面的轴线重合，切面上留有安装孔，用于固定光学元件、镜筒及反亥姆霍兹线圈。
11.所述两圆环通过竖直立柱刚性连接。
12.所述圆形切面与水平面夹角及光路支撑骨架竖直立柱高度满足特定要求，使得每对圆形切面与另外两对圆形切面的轴线均互相垂直，且三组轴线相交于空间一点。
13.所述圆环形拉曼光学平台位于光路支撑骨架顶部，用于固定拉曼光路元件，引入量子测量所需拉曼激光；所述圆环形拉曼光学平台与光路支撑骨架通过竖直立柱相连。
14.所述底部固定座为圆环形，在光路支撑骨架底部，通过竖直立柱与光路支撑骨架相连，且留有安装孔，用于和真空模块拼接。
15.所述光路支撑骨架、拉曼光学平台、底部固定座一体成型，整体结构成为独立一体式冷原子束缚模块主体，通过底部固定座与真空模块、多轴位移台等结构进行拼接组装。
16.作为优选，所述光路支撑骨架、拉曼光学平台、底部固定座采用3d打印技术或数控车床加工技术一体成型。
17.所述3对光学镜筒在6个圆形平面上通过无磁螺丝与支撑骨架连接。
18.每对镜筒中的光学元件包括上方镜筒中的反射镜及调节架，下方镜筒中的光纤耦合头、准直扩束镜、1/4波片、光澜及调节架。
19.所述一对反亥姆霍兹线圈与一对相对镜筒固定。
20.本发明公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置的组装、调试及工作方法为：
21.步骤一：组装光学镜筒，调整准直扩束镜、1/4波片至冷却光满足准直扩束和圆偏需求。
22.步骤二：组装光路支撑骨架，将组装好的光学镜筒安装至光路支撑骨架，将反亥姆霍兹线圈组装于一对光学镜筒上。
23.步骤三：插入光纤引入激光，通过光澜及调节架调整光路位置及姿态，使三束光反射后原路返回，且三束光相交于一点，三束光两两垂直。
24.步骤四：调整反亥姆霍兹线圈位置，通入电流，并使用高斯计测量系统中心磁场梯度至8～12高斯每厘米，保证梯度磁场零场位置与光阱中心重合。拔出光纤。至此，独立一体式冷原子束缚模块完成组装。
25.步骤五：组装测试透明真空腔，将真空腔内部抽到超高真空状态并维持。
26.步骤六：打开测试真空腔系统的碱金属源，维持真空腔内碱金属原子分压。
27.步骤七：将所述的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置套入测试真空腔，沿竖直轴线旋转、平移冷原子束缚模块至磁光阱光路中心位于真空腔内部，且3对光束不通过真空腔棱角处，防止冷却光波前畸变。通过底部固定座将冷原子束缚模块固定在测试真空腔底座上。
28.步骤八：施加冷却光及梯度磁场，抓取冷原子团，使用ccd相机观察冷原子团信号，微调光路调整架及磁场至冷原子团信号最强。
29.此时，所述的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置已经在测试真空腔上调试完成，能够取下并在任意满足要求的真空腔上多次重复使用，完成不同测量任务，所述不同测量任务包括重力测量、真空度测量、加速度测量。
30.步骤九：将调试好的冷原子束缚模块转移至工作真空模块，沿竖直轴线旋转、平移冷原子束缚模块至冷原子束缚模块光路中心位于工作真空腔内部，且3对光束不通过真空腔棱角处，通过底部固定座将冷原子束缚模块固定在工作真空腔底座上，在拉曼光学平台及底座安装所需光学元件，进行后续量子精密测量任务。
31.有益效果：
32.1、本发明公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，将磁光阱多束光路、磁场线圈一体集成形成冷原子束缚模块，独立于真空腔，能够在离位条件下完成装配、优化相关参数，再与任意满足尺寸要求的全透明真空腔的底座连接，完成磁光阱俘获冷原子团及进一步的量子测量的工作。相比于传统的磁光阱与真空腔固连结构，完成真空系统与光路模块的分离，极大减少设计成本、加工成本和时间成本。此外，冷原子束缚模块独立一体化的优势还包括：结构紧凑，重量较轻，有利于量子测量系统的模块化、小型化、轻量化和工程化；光路灵活，既能够离位调整单独光学零件，也能够与真空模块组装后调整整体磁光阱位置，从而调整相应的冷原子团位置。
33.2、本发明公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，冷原子束缚模块与提供原子源及真空背景环境的真空模块完全分离，互相独立，冷原子束缚模块能够离位组装、测试、调节，再与多种真空腔模块组装，完成即插即用式的冷原子团束缚功能，且冷原子束缚模块能够应用于非特定的多个真空模块上。
34.3、对比于基于金属腔体的冷原子束缚系统，本发明公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，能够极大缩小整体体积和重量，降低结构设计、加工成本，提高腔体的热稳定性、磁稳定性；对比于基于透明腔体的一般冷原子束缚系统，本发明公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，能够显著提高冷原子束缚系统相对于腔体系统的独立性，能够便于实现小体积、高精度、低成本的可移动式量子精密测量。
附图说明：
35.图1基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚模块示意图；
36.图2基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚模块示意图；
37.图3基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚模块与真空模块配合冷却原子示意图。
38.其中：1—光路支撑骨架上方圆环、2—光路支撑骨架下方圆环、3—光路支撑骨架竖直立柱、4—光学镜筒、5—光学调节架、6—反射镜、7—反亥姆霍兹线圈、8—光纤耦合头、9—准直扩束镜、10—1/4波片、11—光澜、12—拉曼光路元件、13—拉曼光学平台、14—底部固定座。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
40.如图1至图3所示，本实施例公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，包括光路支撑骨架1,2,3、光学镜筒4及光学元件5,6,8,9,10,11,12、反亥姆赫兹线圈7、拉曼光学平台13、底部固定座14。
41.所述光路支撑骨架包括路支撑骨架上方圆环1、光路支撑骨架下方圆环2、光路支撑骨架竖直立柱3，在一种优选方案中，所述光路支撑骨架1,2,3、拉曼光学平台13、底部固定座14采用3d打印技术或数控车床加工技术一体成型。
42.所述光路支撑骨架上方圆环1及下方圆环2，在每一圆环上均有3个相对水平面倾斜固定角度的圆形切面，且在同一水平面内均匀分布。上方圆环的3个圆形切面和下方圆环的3个圆形切面搭配为三对，每对圆形切面的轴线重合，圆形切面与水平面夹角及光路支撑骨架竖直立柱3高度满足特定要求，使得每对圆形切面与另外两对圆形切面的轴线均互相垂直，且三组轴线相交于空间一点。
43.所述光学镜筒及光学元件包括光学镜筒4，光学调整架5，反射镜6，光纤耦合头8，准直扩束镜9，1/4波片10，光澜11，其中所有光学元件均可组装在光学镜筒上。
44.所述光学镜筒4通过无磁螺丝与光路支撑骨架圆环1,2上的圆形切面连接。
45.所述光学镜筒及光学元件共有3组，每组包括一对光学镜筒4和适配镜筒的光学元件5,6,8,9,10,11，所述一对光学镜筒4和支撑骨架1,2上的一对圆形切面分别连接，其中与光路支撑骨架上方圆环1连接的镜筒装有一反射镜6和反射镜调节架5，与光路支撑骨架下方圆环2连接的镜筒依次装有一光纤耦合头8、准直扩束镜9、1/4波片10、光澜及调节架11。
46.所述每一对镜筒4及组装的光学元件5,6,8,9,10,11提供一对对射的磁光阱冷却光。
47.在本发明中，冷却光束包含有再泵浦光。
48.在与光路支撑骨架下方圆环2连接的镜筒中，光纤耦合头8与光纤连接，激光通过准直扩束镜9、1/4波片10提供圆偏冷却光光束，通往与光路支撑骨架上方圆环1连接的镜筒4，并被镜筒4中反射镜6反射沿原光路返回。
49.所述反射镜6为0
°
全反射镜，保证光束反射功率损耗较少。
50.所述镜筒中的调节架可以保证三对光束原路返回、两两垂直。
51.进一步地，调节架5可以选为五轴调节架，保证光束的空间角度优化及空间位置优化。
52.所述镜筒中的光澜11可以在初始调节时调成1mm尺寸小孔，保证三对光束相交于空间一点。
53.所述反亥姆霍兹线圈7固定在任意一对镜筒上，两个线圈串联保证电流大小相等，方向相反，在磁光阱中心位置即三束冷却光交汇处形成线性梯度磁场。
54.所述拉曼光学平台13位于光路支撑骨架顶部，用于固定拉曼光路元件12，引入量子测量所需拉曼激光。
55.所述底部固定座14为圆环形，在光路支撑骨架底部，通过竖直立柱与光路支撑骨架相连。
56.在将本冷原子束缚模块套入全透明真空腔后，如图3所示，三对光束均穿过真空
腔，且三对光束的交点位于真空腔内部，激发腔内特定原子，与磁阱配合实现冷却原子的目的。
57.与本冷原子束缚模块配合的全透明真空腔，其形状可以是长方体、圆柱形、或其他棱柱形结构，其材料可以为微晶玻璃、石英、蓝宝石玻璃等。
58.全透明真空腔需要满足的条件是：
59.全透明真空腔与真空维持系统相连，包含真空泵、原子源，形成量子测量所需的超高真空模块。
60.全透明真空腔水平截面外接圆半径小于光路支撑骨架圆环1内径，保证冷原子束缚模块可以从真空腔上方套入；
61.真空腔腔壁镀有增透膜，优选为780nm，使其对780nm波长激光的激光透射率达到95％以上，同时腔内原子源配合为铷源。
62.所述冷原子束缚模块的具体实施步骤为：
63.步骤一：组装光学镜筒4，调整准直扩束镜9、1/4波片10至冷却光满足准直扩束和圆偏需求。
64.步骤二：组装光路支撑骨架1,2,3，将组装好的光学镜筒4安装至光路支撑骨架，将反亥姆霍兹线圈7组装于一对光学镜筒4上。
65.步骤三：插入光纤引入激光，通过光澜11及调节架5调整光路位置及姿态，使三束光反射后原路返回，且三束光相交于一点，三束光两两垂直。
66.步骤四：调整反亥姆霍兹线圈7位置，通入电流，并使用高斯计测量系统中心磁场梯度至8～12高斯每厘米，保证梯度磁场零场位置与光阱中心重合。拔出光纤。至此，独立一体式冷原子束缚模块完成组装。
67.步骤五：组装测试透明真空腔，将真空腔内部抽到超高真空状态并维持。
68.步骤六：打开测试真空腔系统的碱金属源，维持真空腔内碱金属原子分压。
69.步骤七：将本冷原子束缚模块套入测试真空腔，沿竖直轴线旋转、平移冷原子束缚模块至磁光阱光路中心位于真空腔内部，且3对光束不通过真空腔棱角处，防止冷却光波前畸变。通过底部固定座将冷原子束缚模块固定在测试真空腔底座上。
70.步骤八：施加冷却光及梯度磁场，抓取冷原子团，使用ccd相机观察冷原子团信号，微调光路调整架5及磁场至冷原子团信号最强。
71.此时，本冷原子束缚模块已经在测试真空腔上调试完成，可以取下并在任意满足要求的真空腔上多次重复使用，完成重力测量、真空度测量、加速度测量等不同任务。
72.步骤九：将调试好的冷原子束缚模块转移至工作真空模块，沿竖直轴线旋转、平移冷原子束缚模块至冷原子束缚模块光路中心位于工作真空腔内部，且3对光束不通过真空腔棱角处，通过底部固定座将冷原子束缚模块固定在工作真空腔底座上，在拉曼光学平台13及底座14安装所需光学元件，进行后续测量任务。
73.综上，本实施例公开的一种基于磁光阱原理的独立一体式冷原子束缚装置，主要由光路支撑结构和光路单元、磁场单元三部分构成。其中，光路支撑结构由3d打印技术一体化成型，光路单元由镜筒、扩束单元及反射单元构成，磁场单元为反亥姆霍兹线圈。相比于传统冷原子束缚系统需要固定在特定真空腔上，光路结构由真空腔形状决定，一旦安装则无法自由调整。本实施例的冷原子束缚系统则不限定于特定真空腔，能够适配满足尺寸条
件的多种全透明真空腔，降低结构加工难度；冷原子束缚模块能够离位组装、调节再与所用真空腔组装，原子冷却参数更易于调节及优化；也能够在不同透明真空腔间转移使用，完成批量生产加工，大幅降低成本。对比于基于金属腔体的冷原子束缚系统，本实施例能够极大缩小整体体积和重量，降低结构设计、加工成本，提高腔体的热稳定性、磁稳定性、对比于基于透明腔体的一般冷原子束缚系统，本实施例能够显著提高冷原子束缚系统相对于腔体系统的独立性，可以实现小体积、高精度、低成本的可移动式量子精密测量。
74.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。