CN102749708A

CN102749708A - 磁光阱装置及其制造方法

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Publication number: CN102749708A
Application number: CN2012102139128A
Authority: CN
Inventors: 陈伟亮; 刘年丰; 林平卫; 房芳; 刘昆; 所睿
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102749708B

Abstract

本发明提供一种磁光阱装置及其制造方法，其中装置包括一体结构的磁光阱本体，磁光阱本体外侧设置有基准平面和三组参考平面，每组参考平面由两个相互平行的平面组成；基准平面上设置安装孔，参考平面上设置准直光筒安装孔，各准直光筒安装孔垂直于所在平面贯通形成磁光阱本体的腔体，各准直光筒安装孔的中心线与安装孔的中心线交于一点；三组参考平面以安装孔的中心线为轴线圆周均匀设置，三组参考平面中各平面的法线与基准平面的法线的夹角为54°44.14′；各准直光筒安装孔中安装有准直光筒。本装置充分利用了六束激光重合体积，提高俘获原子的数量，另外，六束激光均参与原子团的上抛，较现有MOT仅有两束激光参与原子团上抛的效率高。

Description

磁光阱装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁光阱技术，尤其涉及一种磁光阱装置的制造方法。

背景技术

磁光阱（Magneto Optical Trap，MOT）是原子存储-激光冷却的重要手段。传统的MOT利用(0，0，1)坐标系布局的MOT腔体形成真空，在一个反亥姆霍兹（Helmholtz）磁场中心，用2对(共计4束)相互正交的水平激光和1对(共计2束)竖直激光束组成MOT，实现原子存储-激光冷却。在喷泉原子钟，原子干涉仪中，利用MOT制备和冷却原子样品后，关闭反Helmholtz磁场，用纯光学阱(Optical Molasses，OM)实现原子云上抛。

传统的MOT中，竖直激光束处于原子团的上抛路径上，使得激光的有限利用功率较低，俘获的原子较少，且仅有竖直激光束参与原子团的上抛，上抛效率较低。

发明内容

本发明提供一种磁光阱装置的制造方法，用以解决现有MOT激光的有效利用功率较低，俘获原子较少且上抛效率较低的问题。

本发明提供一种磁光阱装置，包括一体结构的磁光阱本体，所述磁光阱本体外侧设置有基准平面和三组参考平面，每组参考平面由两个相互平行的平面组成；所述基准平面上设置安装孔，所述各参考平面上设置准直光筒安装孔，所述各准直光筒安装孔垂直于所在平面贯通形成磁光阱本体的腔体，各所述准直光筒安装孔的中心线与所述安装孔的中心线交于一点；所述三组参考平面以所述安装孔的中心线为轴线圆周均匀设置，所述三组参考平面中各所述平面的法线与所述基准平面的法线的夹角为54°44.14′；各所述准直光筒安装孔中安装有准直光筒。

如上所述的磁光阱装置，其中，所述激光光纤准直光筒包括筒体，所述筒体的一端为光纤安装端、另一端为激光出射端，所述筒体内自所述光纤安装端至所述激光出射端依次固定设置第一偏振分光片、1/2波片、第二偏振分光片、1/4波片及透镜，所述光纤安装端的端部固定安装调节座，所述光纤安装端的端面和调节座上均具有通光孔，所述调节座上固定连接光纤法兰盘，所述光纤法兰盘的法兰通孔与所述通光孔均同轴设置。

如上所述的磁光阱装置，其中，所述筒体的光纤安装端的端面上以所述通光孔的轴线为旋转轴圆周均布三个螺纹孔，所述调节座上以所述通光孔的轴线为旋转轴圆周均布六个安装通孔，所述六个安装通孔中的其中三个穿装有分别与所述三个螺纹孔螺接的第一螺栓、另外三个分别螺接有第二螺栓，各所述第二螺栓的端部与所述调节座顶止配合。本发明还提供一种磁光阱装置的制造方法，包括以下步骤：

制作一体结构的磁光阱本体，所述磁光阱本体包括一体结构的磁光阱本体，所述磁光阱本体外侧设置有基准平面和三组参考平面，每组参考平面由两个相互平行的平面组成；所述基准平面上设置安装孔，所述各参考平面上设置准直光筒安装孔，所述各准直光筒安装孔垂直于所在平面贯通形成磁光阱本体的腔体，各所述准直光筒安装孔的中心线与所述安装孔的中心线交于一点；所述三组参考平面以所述安装孔的中心线为轴线圆周均匀设置，所述三组参考平面中各所述平面的法线与所述基准平面的法线的夹角为54°44.14′；

在各所述准直光筒安装孔中安装准直光筒。

如上所述的磁光阱装置的制造方法，其中，所述制作一体结构的磁光阱本体包括：

对所述基准平面及各所述参考平面进行修磨，具体为：

将所述磁光阱本体的基准平面置于水平面上，在一组参考平面中靠

上的平面上放置平面平晶，用经纬仪照准所述平面平晶以测量获得所述

靠上的平面相对于所述基准平面法线的第一角度，

将所述平面平晶放置于一组所述参考平面中靠下的平面上，用经纬仪照准所述平面平晶以测量获得所述靠下的平面相对于所述基准平面法线的第二角度，根据所述第一角度和所述第二角度，计算得到一组所述所述参考平面的平行度；

按照上述方法测量获得其余两组所述参考平面的法线与所述基准平面法线的角度及每组参考平面的平行度；

按照测量获得的各所述角度及各所述平行度对相应的各组参考平面进行修磨，使各组参考平面达到结构尺寸要求。

如上所述的磁光阱装置的制造方法，其中，所述在各所述光筒安装孔内均固定安装激光光纤准直光筒之前，还包括：

对各所述激光光纤准直光筒进行调节，使从各所述激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的出射光瞳同心度小于0.5mm，并与对应安装所述激光光纤准直光筒的基准面的垂直度小于1'。

如上所述的磁光阱装置的制造方法，其中，所述对各所述激光光纤准直光筒进行调节，使从各所述激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的出射光瞳同心度小于0.5mm，并与对应安装所述激光光纤准直光筒的基准面的垂直度小于1'，具体为：

在一竖直面上放置平面平晶，调整经纬仪照准所述平面平晶，然后移除所述平面平晶，调整设置于所述平面平晶背离所述经纬仪一侧的反射镜，使所述经纬仪照准所述反射镜；

将所述激光光纤准直光筒固定安装于所述竖直面上，所述激光光纤准直光筒的基准面与所述竖直面紧贴，且使所述激光光纤准直光筒的激光出射口朝向所述反射镜，所述激光光纤准直光筒包括筒体，所述筒体的一端为光纤安装端，所述光纤安装端的端部设置有调节座，所述调节座上光纤法兰盘插接有馈入激光的光纤；

调整磁光阱装置上的第一螺栓和第二螺栓，改变所述调节座与所述光纤安装端的角度，使激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的出射光瞳同心度小于0.5mm；

在所述竖直面与所述反射镜之间设置一个小孔光阑，使激光光纤准直光筒中出射的激光透过所述小孔光阑，经所述反射镜反射后与所述小孔光阑重合，通过平移调整调节座，使从各所述激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的基准面的垂直度小于小于1'。本发明提供的磁光阱装置及其制造方法，由于在一体结构的磁光阱本体上设置了六个激光光纤准直光筒，该六个激光光纤准直光筒的轴线与基准平面的法线的夹角均为54°44.14′，这样就构成了（1，1，1）坐标系MOT，在（1，1，1）坐标系MOT中，激光均处于斜射状态，因此，避开了原子团上抛路径，充分利用了六束激光重合体积，也即充分利用了激光的功率，提高了俘获原子的数量，另外，六束激光均参与原子团的上抛，较现有MOT仅有两束激光参与原子团上抛的效率高。

附图说明

图1为本发明磁光阱装置实施例中一体结构的磁光阱本体的结构示意图；

图2为本发明磁光阱装置实施例中激光光纤准直光筒的结构示意图；

图3为本发明磁光阱装置的制造方法的实施例中对磁光阱本体的参考平面进行测量的装置示意图；

图4为本发明磁光阱装置的制造方法的实施例中对激光光纤准直光筒进行调整的装置示意图；

图5为本发明磁光阱装置的制造方法的实施例中对激光光纤准直光筒进行调整的装置进行反射镜调整的示意图；

图6为本发明磁光阱装置的制造方法的实施例中对激光光纤准直光筒进行调整的示意图。

具体实施方式

图1为本发明磁光阱装置实施例中一体结构的磁光阱本体的结构示意图；图2为本发明磁光阱装置实施例中激光光纤准直光筒的结构示意图；如图1、图2所示，本发明磁光阱装置的实施例，包括一体结构的磁光阱本体3，磁光阱本体3外侧设置有基准平面1和三组参考平面2，每组参考平面2由两个相互平行的平面组成；所述基准平面1上设置安装孔4，所述各参考平面2上设置准直光筒安装孔5，所述各准直光筒安装孔5垂直于所在平面贯通形成磁光阱本体3的腔体，各所述准直光筒安装孔5的中心线与所述安装孔4的中心线交于一点；所述三组参考平面2以所述安装孔4的中心线为轴线圆周均匀设置，所述三组参考平面2中各所述平面的法线与所述基准平面1的法线的夹角为54°44.14′；各所述准直光筒安装孔5中安装有准直光筒6。

上述方案的磁光阱装置，在一体结构的磁光阱本体上设置了六个激光光纤准直光筒，该六个激光光纤准直光筒的轴线与参考平面的法线的夹角均为54°44.14′，这样就构成了（1，1，1）坐标系MOT，在（1，1，1）坐标系MOT中，激光均处于斜射状态，因此，避开了原子团上抛路径，充分利用了六束激光重合体积，也即充分利用了激光的功率，提高了俘获原子的数量，另外，六束激光均参与原子团的上抛，较现有MOT仅有两束激光参与原子团上抛的效率高。

另外，采用一体结构的磁光阱本体3，使得该磁光阱装置对环境振动不敏感，可搬运能力强，且可保证该磁光阱装置连续长期运行，而不需调整和维护。

实际应用中，激光光纤准直光筒6包括筒体13，筒体13的一端为光纤安装端、另一端为激光出射端，筒体13内设置有阶梯通孔，且在该阶梯通孔内自光纤安装端至激光出射端依次固定设置第一偏振分光片8、1/2波片9、第二偏振分光片10、1/4波片11及透镜12。在光纤安装端的端部固定安装调节座14，在光纤安装端和调节座14上均具有通光孔，调节座14上固定连接光纤法兰盘7，光纤法兰盘7的法兰通孔与调节座14上通光孔同轴设置。传输激光的光纤固定插装在光纤法兰盘7中。

为了便于对激光的出射角度进行调节，在筒体12的光纤安装端的端面上以通光孔的轴线为旋转轴圆周均布三个螺纹孔，调节座14上以通光孔的轴线为旋转轴圆周均布六个安装通孔。六个安装通孔中的其中三个穿装有分别与三个螺纹孔螺接的第一螺栓、另外三个分别螺接有第二螺栓，各第二螺栓的端部与调节座14顶止配合。可以理解，六个安装通孔中的其中三个与螺纹孔位于同一半径的圆周上，而另外三个安装通孔可以与上述螺纹孔位于同一半径的圆周上，也可以不位于同一半径的圆周上。采用上述结构，通过三根第一螺栓用来对调节座进行固定，通过三个第二螺栓用来对调节座14的倾斜角度进行调节。可以理解，通过调节三个第二螺栓从调节座内伸出的长度的不同来调节调节座14相对于竖直面的倾斜角度。由于光纤法兰盘7固定连接在调节座14上，则随着调节座14倾斜角度的变化，则激光的出射角度也会随之进行变化。

本发明还提供一种磁光阱装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制作一体结构的磁光阱本体，所述磁光阱本体包括一体结构的磁光阱本体，所述磁光阱本体外侧设置有基准平面和三组参考平面，每组参考平面由两个相互平行的平面组成；所述基准平面上设置安装孔，所述各参考平面上设置准直光筒安装孔，所述各准直光筒安装孔垂直于所在平面贯通形成磁光阱本体的腔体，各所述准直光筒安装孔的中心线与所述安装孔的中心线交于一点；所述三组参考平面以所述安装孔的中心线为轴线圆周均匀设置，所述三组参考平面中各所述平面的法线与所述基准平面的法线的夹角为54°44.14′；

上述磁光阱本体可以通过一体成型工艺，例如但不限于铸造，进行加工。可以根据精度要求，对基准平面和各组参考平面进行铣加工和/或研磨加工。

步骤2：在各所述准直光筒安装孔中安装准直光筒。

通过上述方法制作的磁光阱装置，在一体结构的磁光阱本体上设置了六个激光光纤准直光筒，该六个激光光纤准直光筒的轴线与基准平面的法线的夹角均为54°44.14′，这样就构成了（1，1，1）坐标系MOT，在（1，1，1）坐标系MOT中，激光均处于斜射状态，因此，避开了原子团上抛路径，充分利用了六束激光重合体积，也即充分利用了激光的功率，提高了俘获原子的数量，另外，六束激光均参与原子团的上抛，较现有MOT仅有两束激光参与原子团上抛的效率高。

为了使基准平面及各组参考平面可以达到较高的尺寸标准，需对基准平面及各组参考平面进行修磨。

在修磨中采用图3所示的装置，包括光学平台19，光学平台19上并排设置经纬仪15和转台18。采用图3所示装置主要用来测量各组参考平面中的平面相对于基准平面法线的角度及各组参考平面中两平面的平行度，为修磨提供数据参考。

测量时，首先将经纬仪15和转台18调平，并将经纬仪15竖直角清零。将磁光阱本体的基准平面17放置在转台18的上平面，转台18的上平面为水平面。在一组参考平面中靠上的平面上放置平面平晶16，用经纬仪15的望远镜照准平面平晶16，将经纬仪15的水平角清零，从经纬仪15竖直度盘实测获得靠上的平面相对于基准平面的竖直角度；然后将平面平晶16放置于参考平面中靠下的平面上，用经纬仪15的望远镜照准平面平晶16以测量获得靠下的平面与靠上的平面的平行度。之后，转台转动120°，采用上述方法对另外一组参考平面靠上的平面相对于基准平面的竖直角度及该组参考平面靠下的平面与靠上的平面的平行度，随后，转台在转动120°，采用上述方法对最后一组参考平面靠上的平面相对于基准平面的竖直角度及该组参考平面靠下的平面与靠上的平面的平行度。

在上述测量结束后，采用精密机床或人工，对三组参考平面的角度进行修磨，以到达结构尺寸标准。可以理解，为了尽量的提高加工精度，可以进行多次的测量和修磨。

在安装激光光纤准直光筒之前，需要对激光光纤准直光筒的出射光束进行调整。调整时采用图4所示的装置，该装置包括光筒架22，光筒架22的一侧设置经纬仪20，另一侧设置可调镜架24，可调镜架24朝向光筒架22的一侧设置反光镜23，光筒架22朝向经纬仪的一侧具有竖直平面。

在进行调整时，首先，在光筒架22的竖直平面上放置平面平晶21，用经纬仪20的望远镜照准平面平晶21，然后，将经纬仪20两维角度读数值归零。之后，如图5所示，保持经纬仪20不动，移开平面平晶，通过转动可调镜架24来使反光镜23与经纬仪20照准。再之后，如图6所示，保持反光镜23不动，将一只激光光纤准直光筒6安装在光筒架22的竖直平面上，且使激光光纤准直光筒6的激光出射口朝向反射镜23，激光光纤准直光筒6包括筒体，筒体的一端为光纤安装端，光纤安装端的端部设置有调节座，调节座上光纤法兰盘插接有馈入激光的光纤。

调整该磁光阱装置的第一螺栓和第二螺栓，改变调节座相对于光纤安装端的倾斜角度，使激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的出射光瞳同心度小于0.5mm。

在竖直面与反射镜之间设置一个小孔光阑，使激光光纤准直光筒6中出射的激光透过小孔光阑，经反射镜反射后与小孔光阑重合，通过平移调整调节座，使从各激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的激光光纤准直光筒的基准面的垂直度小于1'。

另外，通过沿筒体前后调节透镜，使出射激光准直。其中，激光光纤准直光筒的具体结构可参见上述磁光阱装置的实施例。

对各激光光纤准直光筒进行上述调节后，安装于磁光阱本体相应的光筒安装孔中。

采用此种方法，制作的磁光阱装置，在使用时，可直接将光纤连接到激光光纤准直光筒的输入光纤接头，不需要进行任何调整，即构成（1，1，1）坐标系斜射光束MOT。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种磁光阱装置，其特征在于，包括一体结构的磁光阱本体，所述磁光阱本体外侧设置有基准平面和三组参考平面，每组参考平面由两个相互平行的平面组成；所述基准平面上设置安装孔，所述各参考平面上设置准直光筒安装孔，所述各准直光筒安装孔垂直于所在平面贯通形成磁光阱本体的腔体，各所述准直光筒安装孔的中心线与所述安装孔的中心线交于一点；所述三组参考平面以所述安装孔的中心线为轴线圆周均匀设置，所述三组参考平面中各所述平面的法线与所述基准平面的法线的夹角为54°44.14′；各所述准直光筒安装孔中安装有准直光筒。

2.根据权利要求1所述的磁光阱装置，其特征在于，所述激光光纤准直光筒包括筒体，所述筒体的一端为光纤安装端、另一端为激光出射端，所述筒体内自所述光纤安装端至所述激光出射端依次固定设置第一偏振分光片、1/2波片、第二偏振分光片、1/4波片及透镜，所述光纤安装端的端部固定安装调节座，所述光纤安装端的端面和调节座上均具有通光孔，所述调节座上固定连接光纤法兰盘，所述光纤法兰盘的法兰通孔与所述通光孔均同轴设置。

3.根据权利要求2所述的磁光阱装置，其特征在于，所述筒体的光纤安装端的端面上以所述通光孔的轴线为旋转轴圆周均布三个螺纹孔，所述调节座上以所述通光孔的轴线为旋转轴圆周均布六个安装通孔，所述六个安装通孔中的其中三个穿装有分别与所述三个螺纹孔螺接的第一螺栓、另外三个分别螺接有第二螺栓，各所述第二螺栓的端部与所述调节座顶止配合。

4.一种磁光阱装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在各所述准直光筒安装孔中安装准直光筒。

5.根据权利要求4所述的磁光阱装置的制造方法，其特征在于，所述制作一体结构的磁光阱本体包括：

对所述基准平面及各所述参考平面进行修磨，具体为：

将所述磁光阱本体的基准平面置于水平面上，在一组参考平面中靠上的平面上放置平面平晶，用经纬仪照准所述平面平晶以测量获得所述靠上的平面相对于所述基准平面法线的第一角度，

6.根据权利要求4或5所述的磁光阱装置的制造方法，其特征在于，所述在各所述光筒安装孔内均固定安装激光光纤准直光筒之前，还包括：

7.根据权利要求6所述的磁光阱装置的制造方法，其特征在于，所述对各所述激光光纤准直光筒进行调节，使从各所述激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的出射光瞳同心度小于0.5mm，并与对应安装所述激光光纤准直光筒的基准面的垂直度小于1'，具体为：

在所述竖直面与所述反射镜之间设置一个小孔光阑，使激光光纤准直光筒中出射的激光透过所述小孔光阑，经所述反射镜反射后与所述小孔光阑重合，通过平移调整调节座，使从各所述激光光纤准直光筒中出射的激光与对应的所述激光光纤准直光筒的基准面的垂直度小于小于1'。