[發明專利]一種用于冷原子導引的空間激光的光纖耦合調節與監測方法

有效

• 申請號: 201711237579.3
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107861200B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 徐小斌;宋凝芳;胡笛;潘雄;路想想;李瑋
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/42
• 分類號: G02B6/42
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文穎

1.一種用于冷原子導引的空間激光—光纖的耦合調節與模式監測方法，具體步驟如下：

步驟一、空間激光——光纖的耦合調節；

原子源腔左側設有窗口法蘭，右側設有小孔波片，原子源腔產生冷原子束流；

探測腔右側設有窗口法蘭；

空芯光子晶體光纖右端位于探測腔中心，距探測腔右側窗口法蘭的距離為45mm，空芯光子晶體光纖左端位于原子源腔中小孔波片的小孔中心，距原子源腔窗口法蘭的距離為105mm，空芯光子晶體光纖兩端設有陶瓷頭；

波長為1064nm的激光經準直器出射后束腰直徑ω₀為1mm，準直激光先被平凹透鏡、平凸透鏡透鏡組合擴束，再被聚焦透鏡聚焦在空芯光子晶體光纖端面上，平凹透鏡、平凸透鏡、聚焦透鏡組成透鏡套筒；

導引激光從探測腔中心耦合進空芯光子晶體光纖中，并激發纖芯中的基模，光纖左端輸出的光場形成勢阱將原子束流陷俘于高斯光束中心，原子保持其初始速度沿光纖中心軸向勻速被導引；

耦合調節即：空芯光子晶體光纖、透鏡套筒、激光準直器三者位于同一水平線，且透鏡套筒中聚焦透鏡的焦點位于探測腔中的光纖端面上，此時聚焦光束束腰位置與光纖端面重合，光纖輸入端光斑尺寸最小，光功率密度最大；

第一次耦合：

激光準直器安裝在三維平移臺上，每個維度平移范圍13mm，平移精度3μm，透鏡套筒整體安裝在五維(X、Y、Z、θ_X、θ_Y)調節臺上，透鏡套筒與光纖及激光準直器的準直通過五維調節臺上的X、Y、θ_X、θ_Y調節，聚焦透鏡距光纖端面的距離通過螺桿調節，五維調節臺X、Y、Z方向平移范圍13mm，平移精度3μm；

先采用10mw激光進行耦合調節，在原子源腔中放置功率計探頭，探頭中心位置與空芯光子晶體光纖水平，調節五維平移臺使空芯光子晶體光纖輸出功率最大且光斑模式為高斯型分布，記錄此時五維調節臺各維度數值，利用感光片在耦合面窗玻璃上找到此時光斑位置并進行標定；

第二次耦合：

若加熱后，光斑仍處于陶瓷頭端面上，則調節五維調節臺將光斑移至陶瓷頭中心，或者，通過第一次耦合時在耦合面窗口上標定的光斑位置，調節聚焦光束相對陶瓷頭的位置；在第一次耦合調節基礎上進行微調，光功率最大時估算原子源腔內光纖輸出端的光功率，進而推算實際耦合效率，使用CCD觀察此時光纖輸出端的光場分布，如果一部分光耦合進包層中或光場分布不均勻，則微調五維調節臺使光場趨于高斯分布；

步驟二、光纖輸出的功率和模式監測；

安裝原子源腔前側窗玻璃與探測腔前側窗玻璃前先進行一次光路初步準直，測得光纖端面到原子源腔法蘭處的光功率，沿光束方向每隔一段距離測得相應功率值，擬合出功率隨距離衰減曲線，若真空腔封裝后所測原子源腔法蘭處最大耦合光功率P₁₃，根據擬合規律估算光纖端面處光功率P₁₂，則耦合效率η＝P₁₂/P_in，光纖輸入光功率P_in通過調節激光放大器電流進行調節；

監測耦合模式對CCD物鏡的參數要求有放大倍率與工作距離：

1)放大倍率：放大率在10X～200X之間；2)工作距離：物鏡工作距離大于105mm；

將成像物鏡與顯微物鏡進行組合，得到光纖耦合輸出的模式監測方案，采用工作距離為110mm左右的成像鏡頭將光纖輸出的近場分布成像在顯微物鏡的焦點上進行二次放大。