[發(fā)明專利]用于原子鐘的熒光收集裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410412088.8
• 申請日: 2014-08-20
• 公開（公告）號: CN104296869A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張輝;陳江;劉丹丹;王心亮;阮軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院國家授時中心
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 申忠才

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)探測器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到接收熒光的設(shè)備或裝置。

背景技術(shù)

目前原子鐘探測區(qū)的熒光收集裝置要求探測原子不同量子態(tài)熒光強度。對于探測原子不同量子態(tài)的熒光收集裝置來說，首先要保證不同量子態(tài)發(fā)出熒光有比較高的收集率和信噪比，特別是對于極弱熒光時，信噪比的提高尤其重要。除了信噪比之外，為了得到每個量子態(tài)發(fā)出熒光強度，還要分離不同量子態(tài)發(fā)出熒光信號，提高探測的準確度。

原子鐘探測區(qū)的熒光收集裝置，要求將原子不同量子態(tài)上原子發(fā)出的熒光進行有效地收集和分離，將原子不同量子態(tài)發(fā)出的熒光收集到其對應(yīng)探測區(qū)的探測元件上。由于探測到的熒光極弱，所以要求成像在探測元件上的彌散斑盡可能的小，以求達到最大信噪比，而且要求不同量子態(tài)的熒光不能相互干擾。目前原子鐘探測區(qū)熒光收集裝置主要有兩種；一是由多組光學(xué)透鏡組成的對稱系統(tǒng)進行收集，這種探測裝置可以有效地減小原子團熒光成像在探測元件上的彌散斑，提高了信噪比，可以對不同量子態(tài)原子熒光進行有效地分離，并且可以將原子團與探測光交匯區(qū)全部熒光收集到其對應(yīng)的探測元件上。但是這種裝置最大的一個缺點是：透鏡數(shù)目眾多，對極弱的原子熒光吸收損耗比較大。二是用兩個透鏡組成的收集裝置，裝配簡單，透鏡數(shù)目少，吸收損耗少，但是這種裝置，對于原子團與探測光交匯區(qū)原子熒光成像在探測元件上的彌散斑比較大，其次這種結(jié)構(gòu)的裝置，不能同時兼顧探測元件上彌散斑小與原子不同量子態(tài)發(fā)出的熒光進行有效地分離。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述原子鐘熒光收集裝置的缺點，提供一種收集效率高、結(jié)構(gòu)簡單、熒光吸收損耗小的用于原子鐘的熒光收集裝置。

解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：在真空腔體的下端設(shè)置有冷原子發(fā)射器，真空腔體右外側(cè)壁上設(shè)置有第一擴束鏡筒和第二擴束鏡筒，第一擴束鏡筒和第二擴束鏡筒的光軸與真空腔體的中心線相垂直，第一擴束鏡筒通過光導(dǎo)纖維與第一激光器相連，第二擴束鏡筒通過光導(dǎo)纖維與第二激光器相連，在真空腔體左外側(cè)壁上設(shè)置有第一熒光接收器和第二熒光接收器。本發(fā)明的第一熒光接收器為：在真空腔體左側(cè)壁設(shè)置有鏡筒，鏡筒內(nèi)右端設(shè)置有光入射面為平面、出射面為凸面的S1平凸透鏡，S1平凸透鏡凸面的曲率半徑為30～40mm，距離S1平凸透鏡左端面左側(cè)5～15mm處光出射方向上設(shè)置有光入射面為凸面、出射面為平面的非球面鏡，非球面鏡凸面的曲率半徑為25～35mm、非球面二次曲面系數(shù)為-1.5～15，距離非球面鏡左端面左側(cè)40～70mm處光出射方向上設(shè)置有光入射面為凸面、出射面為平面的S2平凸透鏡，S2平凸透鏡凸面的曲率半徑為20～50mm，距離S2平凸透鏡左端面左側(cè)10～20mm處光出射方向的鏡筒側(cè)面上設(shè)置有光電轉(zhuǎn)換器；在S1平凸透鏡、非球面鏡、S2平凸透鏡的鏡面上真空蒸鍍4～6層二氧化硅減反膜；所述的第二熒光接收器與第一熒光接收器的結(jié)構(gòu)完全相同

本發(fā)明的S1平凸透鏡凸面的曲率半徑最佳為35mm，距離S1平凸透鏡左端面左側(cè)最佳10mm處光出射方向上設(shè)置有光入射面為凸面、出射面為平面的非球面鏡，非球面鏡凸面的曲率半徑最佳為30mm、非球面二次曲面系數(shù)為，距離非球面鏡左端面左側(cè)最佳55mm處光出射方向上設(shè)置有光入射面為凸面、出射面為平面的S2平凸透鏡，S2平凸透鏡凸面的曲率半徑最佳為35mm，距離S2平凸透鏡左端面左側(cè)15mm處光出射方向的鏡筒側(cè)面上設(shè)置有光電轉(zhuǎn)換器；在S1平凸透鏡、非球面鏡、S2平凸透鏡的鏡面上真空蒸鍍最佳5層二氧化硅減反膜。

本發(fā)明的第一擴束鏡筒的光軸與第二擴束鏡筒的光軸之間的距離為10～20mm。

本發(fā)明的第一熒光接收器的光軸與第一擴束鏡筒的光軸相重合，第二熒光接收器的光軸與第二激光器的光軸相重合。

本發(fā)明采用冷原子發(fā)射器發(fā)出的冷原子團在真空腔體內(nèi)下落過程中與真空腔體側(cè)壁豎直方向排列的不同波長的激光器出射的激光相互作用，不同波長的激光先后與原子團作用形成發(fā)出極弱熒光的發(fā)光原子團，發(fā)光原子團發(fā)出的熒光一部分被真空腔體另一側(cè)壁上對應(yīng)豎直方向排列的熒光接收裝置收集并成像在其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器上。每一個量子態(tài)原子輻射的熒光會被相應(yīng)量子態(tài)的熒光接收裝置收集，從而做到了熒光分離，提高了探測原子各個量子態(tài)熒光強度的準確性。

本發(fā)明的熒光接收裝置利用1個非球面透鏡和2個平凸透鏡組成的透鏡組在保證系統(tǒng)所需要光焦度前提下，將光電轉(zhuǎn)換元件上的彌散斑進一步減小，并且可以將原子不同量子態(tài)發(fā)出的熒光進行有效地分離，將他們各自成像在各自的光電轉(zhuǎn)換元件上。由于透鏡組只有3個透鏡，降低了透鏡對于極弱熒光的吸收損耗，提高了熒光的收集效率。