[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

本發明公開了一種將空間激光耦合到空芯光子晶體光纖的調節技術與監測方法。由于該技術用于真空原子導引，從光束聚焦位置到光纖輸入端，以及從光纖輸出端到可監測位置的距離較遠，為耦合調節和模式監測增加了技術難度。本發明包括光纖輸入端的空間激光——光子晶體光纖的耦合調節，以及光纖輸出端的功率測量及模式監測?？臻g激光擴束與聚焦裝置能夠實現將1mm束腰直徑的準直激光聚焦為束腰直徑約10μm的匯聚光束，并通過腔外五維調節臺的精密調節，實現聚焦光束束腰和光纖模場的精確匹配，提高空間光束到光子晶體光纖的耦合效率。功率測量及模式監測系統能夠對距監測點105mm處的光纖輸出光功率與模場進行實時測量與成像，輔助光纖耦合的調節。

技術領域

本發明涉及一種將空間激光耦合到空芯光子晶體光纖的耦合調節技術與監測方法。具體為一種用于冷原子導引的空間光激發光子晶體光纖纖芯基模的耦合調節技術與模式及功率監測方法，能夠實現較高的激光耦合效率并實時監測光纖輸出光場模式。

背景技術

原子導引是利用激光對原子的力學作用，使其相當自由地操縱原子的外部運動，將一群原子從一處輸運至另一處。現有的操控技術利用復雜的光學元件產生可以用于導引的空間光場，離散的幾何部件較多，不利于干涉式原子陀螺向實用化的方向發展。光纖以其損耗小，且在空間可自由彎曲的優點，逐步成為實驗上用于導引原子的首要方法。

原子被空芯光子晶體光纖中的光俘獲并且沿光纖中心軸向被導引的過程主要依賴于光纖中的導引激光對原子產生的偶極力作用，而偶極力產生于激光光強的不均勻分布。由于高斯光束光強分布為中間強兩邊弱，當激光頻率高于原子共振頻率時，原子趨近于光強強的方向，即在高斯光束的中心形成勢阱將原子俘獲在高斯光束中心，中心光強越強阱深越大。因此高效的原子導引的前提條件是增大導引激光耦合進光纖纖芯中的耦合效率(激光功率輸出輸入比值)，且優化光纖芯中的傳播模式，使傳播模式為基模。

隨著對空芯光子晶體光纖導引原子的研究不斷深入，產生了多種將空間激光耦合進光纖的實驗方案。一般的光纖耦合方法是直接采用耦合物鏡將空間準直激光聚焦在光纖端面上，或將耦合光路中的最后一片聚焦透鏡置于真空腔內。這兩種方法的共同點是減小了光纖與透鏡之間的距離(約10mm)，使耦合光束束腰直徑減小，能獲得較高的耦合效率。但上述方法不適用于受腔體結構限制，光纖距真空腔玻璃表面距離較遠的情況。而將聚焦透鏡置于腔內的前提條件是光纖與透鏡的位置固定不變，也不適用于本裝置中光纖軸向位置可調的實驗設計。

另外，傳統的耦合方案采用以輸入輸出功率的比值作為耦合效率的判別依據，忽略了光路偏移或傾斜而使激光耦合進光子晶體光纖包層中、或激發光纖高階模式的情況。此時盡管激光光功率的耦合效率較高，但會激發多種模式，從而大大降低光對原子的俘獲能力。

發明內容

本發明的目的是解決上述問題，提出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。

空間激光——光纖的耦合調節與模式監測方法，具體為以下兩個步驟：

步驟一、空間激光——光纖的耦合調節；

本實驗中由于腔體結構的限制，聚焦透鏡與光纖輸入端相距較遠，且陶瓷頭直徑較小，所用激光波長為不可見光，因此很難使聚焦光束直接照射在腔內陶瓷頭上，也難以確保光纖端面恰好在聚焦透鏡焦點上。為了降低耦合難度，設計了二次耦合方案，分別在真空腔封裝前后進行一次光路準直調節。

在安裝MOT腔前側窗玻璃與探測腔前側窗玻璃以前先進行第一次光路初步準直，由于未安裝窗玻璃及相應法蘭，感光片和功率計探頭可以放置在腔體內部精確定位聚焦光斑位置以及光纖輸出光功率。第一次耦合中需記錄最大耦合效率及最優光場模式時的五維調節臺各維度精密螺桿數值，并在耦合面窗口上標定聚焦光束位置，作為第二次耦合調節的參照。