[发明专利]一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头

说明书

本发明涉及射频测量领域，特别是涉及一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头，包括高效传输光纤、偏振分束光纤光栅、半反半透光纤光栅、包含原子气室的中空光纤、全反射光纤光栅；本发明具有以下技术效果：通过将偏振分束光纤光栅、半反半透光纤光栅、包含原子气室的中空光纤、全反射光纤光栅在普通光纤上集成的方式，提高了量子射频测量系统传感探头的集成度和便携性，在确保里德堡原子有效激发的同时，实现了探测光、耦合光的同向输入，减小了传感探头的整体尺寸，提高了激光利用率。

技术领域

本发明涉及射频测量领域，特别是涉及一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头。

背景技术

基于里德堡原子的量子射频测量技术具有高灵敏度、高精确度、超宽带、传感探头尺寸小等显著优势，是当前国内外量子探测领域的研究热点。而原子气室是基于里德堡原子的量子射频测量系统的核心关键部件，里德堡原子的制备通常使用对向传输的探测光、耦合光进行双光子激发，以减小多普勒频移量、提高原子对激光的吸收率，从而提升里德堡原子的激发效率。在测量系统中，探测光、耦合光对向传输的要求在一定程度上不利于整体的光路集成，相较于同向传输光路，探头光轴方向长度增加约1倍，激光利用率也不高。

根据应用需求的不同，原子气室通常使用石英玻璃、蓝宝石等透明材料封装成各种形状，并进行真空处理或充入不同的缓冲气体，内部充有一定数量的碱金属原子，气室整体体积在几个立方厘米以上。为减小探头尺寸提升测量系统的分辨率、提高测量系统便携性，研究人员将透明材料封装的原子气室、光纤准直镜、保偏光纤等粘合固定，实现了探头的可移动，但也存在探头整体尺寸较大、粘合固定位置不能弯折、集成化程度不高等问题；将碱金属原子充入中空光纤，实现气室的微型化，但探测光、耦合光依然对向传输，探头尺寸仍有进一步缩小的空间，激光利用率也不够高，从而限制了测量系统的实用性。

发明内容

基于此，有必要针对现有原子气室体积较大、简单集成无法满足实用化需求、激光利用率不高的问题，提供一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头。

本发明采用的技术方案为：一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头，用于基于里德堡原子的量子射频测量，包括高效传输光纤1、偏振分束光纤光栅2、半反半透光纤光栅3、包含原子气室的中空光纤4、全反射光纤光栅5；

所述高效传输光纤1用于探测光、耦合光的高效传输和偏振分束光纤光栅2的耦合输入输出；

所述偏振分束光纤光栅2与高效传输光纤1连接，分为耦合光偏振分束光纤光栅21和探测光偏振分束光纤光栅22，所述耦合光偏振分束光纤光栅21用于产生特定偏振状态的耦合光，所述探测光偏振分束光纤光栅22用于产生特定偏振状态的探测光，所述特定偏振状态的探测光、耦合光可以与包含原子气室的中空光纤4中的碱金属原子相互作用；

所述半反半透光纤光栅3与偏振分束光纤光栅2连接，分为耦合光半反半透光纤光栅31和探测光半反半透光纤光栅32，所述耦合光半反半透光纤光栅31用于实现耦合光的部分反射/透射，增大耦合光在包含原子气室的中空光纤4中的有效光程，增强耦合光与碱金属原子的相互作用，所述探测光半反半透光纤光栅32用于实现探测光的部分反射/透射，增大探测光在中空原子气室中的有效光程，增强探测光与碱金属原子的相互作用；

所述包含原子气室的中空光纤4与半反半透光纤光栅3连接，通过在普通光纤上加工出原子气室41，原子气室内部装有一定数量的碱金属原子42，并通过吸收探测光、耦合光制备出里德堡原子，实现射频场参数的测量；

所述全反射光纤光栅5与包含原子气室的中空光纤4连接，分为耦合光全反射光纤光栅51和探测光全反射光纤光栅52，所述耦合光全反射光纤光栅51用于实现耦合光的全反射，将耦合光反射回包含原子气室的中空光纤4，提高耦合光利用率，所述探测光全反射光纤光栅52用于实现探测光的全反射，将探测光反射回中空光纤原子气室，提高探测光利用率；