[发明专利]折叠光路激光冷却原子装置

说明书

技术领域

本发明涉及是激光冷却原子，特别是一种折叠光路激光冷却原子装置。

背景技术

现代冷原子物理已经从科学实验逐渐转向工程应用，激光冷却原子技术已经走出地面固定实验室，转而在可搬运、可移动的科研或工程平台上应用，甚至应用于航空航天领域。例如在空间冷原子频标中,需要在空间微重力条件下利用6束正交对射的单频激光将大于10⁶量级的原子数俘获、囚禁并冷却至超低温度(10^－6K量级)，作为空间冷原子钟的工作介质。为了满足火箭发射条件、适应航天恶劣环境，上天设备需要尽可能的小型化、轻型化、集成化，同时要具备高稳定性和高可靠性，因此，激光冷却实验技术需要设计全新的工程化光机系统。

激光冷却囚禁原子的工作原理是用电磁场和激光共同作用在真空腔内形成磁光阱，或是只利用激光作用在真空腔内形成全光学阱，利用单频激光与真空腔内原子气体相互作用，并使原子不断在其超精细能级结构之间跃迁而损耗内能，逐步冷却至超低温度。

由于原子超精细能级结构对磁场十分敏感，整个原子冷却过程中需要严格屏蔽外界磁场和地磁场的影响。通常采用的方法是用多层磁屏蔽桶将激光冷却系统包覆起来，从而隔绝外部磁场对内部系统的影响。由于磁屏蔽材料(玻莫合金)密度很大，在多层的条件下占用的重量资源很多，因此磁屏蔽桶的直径越小越好，同时为了保证磁屏蔽的性能，磁屏蔽外壳要尽可能保持全封闭状态，这就对磁屏蔽内部的光机结构提出了严苛的空间和体积约束。

如图1所示，在激光冷却磁光阱技术中，为了捕获大量原子，需要向真空腔内部输入6束大孔径(通常>15mm)的准直圆偏振激光束。显然，将激光整形扩束后从自由空间进入到真空腔中的方法由于磁屏蔽的阻隔而不能实现，只能通过光纤将激光输入到磁屏蔽内部，再经过准直扩束后进入真空腔的办法。然而，由于大孔径准直光束要求的光学扩束装置必需要有一定的长度和体积才能实现，采用6路光纤准直放大系统会使得内部光机系统非常拥挤和繁冗，限制了整个系统的进一步压缩体积和重量。另外，为了使6路激光保持良好的正交性，传统激光冷却技术中通常采用可调节的光纤入射准直系统，但是可调节的弹性机械结构会带来可靠性和稳定性方面的缺陷，无法通过航天级别的力学振动、冲击试验和热环模试验，也就无法适应各种恶劣环境。因此，为了满足工程应用的需求，新型的激光冷却系统需要简化光机系统设计，并根据航天工程要求进行安全性可靠性设计。

发明内容

为了克服上述现有激光冷却系统的缺陷，本发明提供一种折叠激光冷却光机装置。该装置集激光扩束准直系统、折叠光路、偏振变换系统、反亥姆赫兹磁场线圈和光功率实时监测于一体，利用折叠光束技术，仅用2路入射光，通过多次反射实现6路正交光束的效果，再结合相应的偏振控制技术，可在超高真空腔内形成磁光阱或全光阱。

本发明的技术解决方案如下：

一种折叠光路激光冷却原子装置，特点在于该装置由真空十四面体、第一冷却光源组件、第二冷却光源组件、B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件、A’反射镜组件、第一中转镜组件、第二中转镜组件构成，所述的真空十四面体是由一个正方体沿十二条边的中点连线切割去掉八个顶点，再沿各表面对角线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成的腔体，原正方体余下的六个两两正对的正方形A平面、A’平面、B平面、B’平面、C平面、C’平面的光窗分别称为A光窗、光A’窗、B光窗、B’光窗、C光窗、C’光窗，

所述的第一冷却光源组件和第二冷却光源组件具有相同的结构，包括光纤底座和激光扩束准直系统，所述的激光扩束准直系统由平凹透镜和非球面镜组成，沿所述的激光扩束准直系统的中轴线从上至下依次是光电管、偏振分束器、平凹透镜、非球面透镜、λ/4波片和反射光阑并通过波片压圈、光源基座和光源法兰组装而成，所述的冷却光源的光纤底座的中轴线与激光扩束准直系统中轴线相互垂直，所述的第一冷却光源组件和第二冷却光源组件通过光源法兰分别安装在所述的真空十四面体的B’平面和A平面的外表面上，所述的B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件和A’反射镜组件具有相同的结构，由反射镜支座、反射镜、λ/4波片组成，所述的反射镜支座外还具有供反亥姆赫兹线圈缠绕的线圈卡槽，所述的B反射镜组件、C’反射镜组件、C反射镜组件和A’反射镜组件分别安装在所述的B平面、C’平面、C平面、A’平面；两个三角面的外表面上分别安装第一中转反射镜组件、第二中转反射镜组件；满足下列光路连接关系：