CN107861200B - 一种用于冷原子导引的空间激光的光纤耦合调节与监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将空间激光耦合到空芯光子晶体光纤的调节技术与监测方法。由于该技术用于真空原子导引，从光束聚焦位置到光纤输入端，以及从光纤输出端到可监测位置的距离较远，为耦合调节和模式监测增加了技术难度。本发明包括光纤输入端的空间激光——光子晶体光纤的耦合调节，以及光纤输出端的功率测量及模式监测。空间激光扩束与聚焦装置能够实现将1mm束腰直径的准直激光聚焦为束腰直径约10μm的汇聚光束，并通过腔外五维调节台的精密调节，实现聚焦光束束腰和光纤模场的精确匹配，提高空间光束到光子晶体光纤的耦合效率。功率测量及模式监测***能够对距监测点105mm处的光纤输出光功率与模场进行实时测量与成像，辅助光纤耦合的调节。

Description

一种用于冷原子导引的空间激光的光纤耦合调节与监测方法

技术领域

本发明涉及一种将空间激光耦合到空芯光子晶体光纤的耦合调节技术与监测方法。具体为一种用于冷原子导引的空间光激发光子晶体光纤纤芯基模的耦合调节技术与模式及功率监测方法，能够实现较高的激光耦合效率并实时监测光纤输出光场模式。

背景技术

原子导引是利用激光对原子的力学作用，使其相当自由地操纵原子的外部运动，将一群原子从一处输运至另一处。现有的操控技术利用复杂的光学元件产生可以用于导引的空间光场，离散的几何部件较多，不利于干涉式原子陀螺向实用化的方向发展。光纤以其损耗小，且在空间可自由弯曲的优点，逐步成为实验上用于导引原子的首要方法。

原子被空芯光子晶体光纤中的光俘获并且沿光纤中心轴向被导引的过程主要依赖于光纤中的导引激光对原子产生的偶极力作用，而偶极力产生于激光光强的不均匀分布。由于高斯光束光强分布为中间强两边弱，当激光频率高于原子共振频率时，原子趋近于光强强的方向，即在高斯光束的中心形成势阱将原子俘获在高斯光束中心，中心光强越强阱深越大。因此高效的原子导引的前提条件是增大导引激光耦合进光纤纤芯中的耦合效率(激光功率输出输入比值)，且优化光纤芯中的传播模式，使传播模式为基模。

随着对空芯光子晶体光纤导引原子的研究不断深入，产生了多种将空间激光耦合进光纤的实验方案。一般的光纤耦合方法是直接采用耦合物镜将空间准直激光聚焦在光纤端面上，或将耦合光路中的最后一片聚焦透镜置于真空腔内。这两种方法的共同点是减小了光纤与透镜之间的距离(约10mm)，使耦合光束束腰直径减小，能获得较高的耦合效率。但上述方法不适用于受腔体结构限制，光纤距真空腔玻璃表面距离较远的情况。而将聚焦透镜置于腔内的前提条件是光纤与透镜的位置固定不变，也不适用于本装置中光纤轴向位置可调的实验设计。

另外，传统的耦合方案采用以输入输出功率的比值作为耦合效率的判别依据，忽略了光路偏移或倾斜而使激光耦合进光子晶体光纤包层中、或激发光纤高阶模式的情况。此时尽管激光光功率的耦合效率较高，但会激发多种模式，从而大大降低光对原子的俘获能力。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提出一种用于冷原子导引的空间激光——光纤的耦合调节与模式监测方法。

空间激光——光纤的耦合调节与模式监测方法，具体为以下两个步骤：

步骤一、空间激光——光纤的耦合调节；

本实验中由于腔体结构的限制，聚焦透镜与光纤输入端相距较远，且陶瓷头直径较小，所用激光波长为不可见光，因此很难使聚焦光束直接照射在腔内陶瓷头上，也难以确保光纤端面恰好在聚焦透镜焦点上。为了降低耦合难度，设计了二次耦合方案，分别在真空腔封装前后进行一次光路准直调节。

在安装MOT腔前侧窗玻璃与探测腔前侧窗玻璃以前先进行第一次光路初步准直，由于未安装窗玻璃及相应法兰，感光片和功率计探头可以放置在腔体内部精确定位聚焦光斑位置以及光纤输出光功率。第一次耦合中需记录最大耦合效率及最优光场模式时的五维调节台各维度精密螺杆数值，并在耦合面窗口上标定聚焦光束位置，作为第二次耦合调节的参照。

第一次耦合后安装窗玻璃并将真空腔密封，进行加热与抽真空等操作。该系列操作后，由于腔体震动等因素，光纤与耦合光路的相对位置可能产生微小的变化。需进行第二次光路准直，在第一次的耦合基础上小范围进行微调。

步骤二、光纤输出的功率和模式监测；

最优的光纤耦合条件既要获得较大的耦合光功率，也要使传输光模式为基模，将原子束缚在空芯中央光强最大的区域。因此本发明采用功率计及CCD在腔外对光纤输出光斑的功率和模式进行监测。

本发明的优点在于：

(1)本发明解决了由于空芯光子晶体光纤输入端距聚焦透镜较远而使耦合效率难以提高的难题，保证了空间激光——光纤耦合的调节精度，获得了较好的高斯型光场分布；

(2)本发明采用CCD在真空腔外实时监测光纤的近场分布，解决了长距离成像时放大倍率较小的问题，辅助了空间激光——光纤的耦合调节过程；

(3)本发明是原子干涉的共性技术，可以应用于其他的需要原子操控或导引的干涉仪。

附图说明

图1为原子导引真空腔中光纤耦合基本光路；

图2为空间激光——光纤的耦合光路；

图3为真空腔中功率计放置位置12、13；

图4为光纤输出端模式监测的方案；

图5为仿真所得的聚焦光束束腰与激光耦合效率的关系；

图6为实验上监测到的光纤输出光斑模式。

图中：

1-原子源腔 2-探测腔 3-空芯光子晶体光纤

4-窗玻璃 5-法兰 6-平凹透镜

7-平凸透镜 8-聚焦透镜 9-激光准直器

10-透镜套筒 14-CCD 15-显微物镜

16-成像物镜

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种用于冷原子导引的空间激光—光纤的耦合调节与模式监测方法，具体步骤如下：

步骤一、空间激光——光纤的耦合调节；

图1为空芯光子晶体光纤导引原子实验装置的基本结构。冷原子束流在原子源腔(MOT腔)1中产生，导引激光从探测腔2左侧耦合进空芯光子晶体光纤3中，并激发纤芯中的基模，光纤左端输出的光场形成势阱将原子束流陷俘于高斯光束中心，原子保持其初始速度沿光纤中心轴向匀速被导引。光子晶体光纤右端位于探测腔2中心，距右侧窗口法兰5的距离为45mm。本实验采用在腔外将激光器输出的准直光进行扩束后再聚焦在光纤端面的方法，因此对聚焦透镜的焦距要求大于45mm。光纤左端位于原子源腔1中1mm小孔波片4的小孔中心，与腔体最左侧窗口法兰5的距离为105mm。

图2为导引激光与空芯光子晶体光纤耦合调试装置的基本结构。波长为1064nm的激光经准直器出射后束腰直径ω₀约1mm。准直激光先被平凹透镜6、平凸透镜7透镜组合扩束，再被聚焦透镜8聚焦在空芯光子晶体光纤端面上。聚焦光束束腰直径和光纤模场直径需要达到较好的匹配才能使耦合效率最大。在纤芯直径10μm时，可仿真计算光束束腰与空间激光——光纤耦合效率的关系，如图5。可知光束束腰直径为6.4μm时，激光耦合效率最大，约98％。本实验所用透镜及光纤参数如下表所示。经计算可得该实验条件下光束束腰直径约8.124μm，耦合效率91.9％。

耦合调节目的是使光纤3、透镜套筒10、激光准直器9三者位于同一水平线，且透镜套筒10中聚焦透镜8的焦点位于探测腔中的光纤端面上，此时聚焦光束束腰位置与光纤端面重合，光纤输入端光斑尺寸最小，光功率密度最大。

第一次耦合：

激光准直器9安装在三维平移台上，每个维度平移范围13mm，平移精度3μm；透镜套筒10整体安装在五维(X、Y、Z、)调节台上。透镜套筒10与光纤3及激光准直器9的准直通过五维调节台上的X、Y、调节；聚焦透镜8距光纤端面的距离通过螺杆Z调节。五维调节台X、Y、Z方向平移范围13mm，平移精度3μm；

聚焦光束没有与光纤进行精确的对准时，高功率的聚焦光斑会对光纤包层结构造成损伤，同时也威胁实验者的安全。因此先采用小功率(约10mw)激光进行耦合调节。在MOT腔中位置12放置功率计探头，探头中心位置与光纤3水平；调节五维平移台使光纤3输出功率最大且光斑模式为高斯型分布，记录此时五维调节台各维度数值；利用感光片在耦合面窗玻璃上找到此时光斑位置并进行标定，便于真空腔封装后调节耦合光路与光纤的相对位置。

第二次耦合：

若加热后光纤相对腔外耦合光路的位置只有微小变化，光斑应仍处于陶瓷头11端面上，可略微调节五维调节台将光斑移至陶瓷头中心。也可通过第一次耦合时在耦合面窗口上标定的光斑位置来调节聚焦光束相对陶瓷头11的位置。在第一次耦合调节基础上进行微调，光功率最大时可估算MOT腔1内光纤输出端的光功率，进而推算实际耦合效率。使用CCD观察此时光纤输出端的光场分布，如一部分光耦合进包层中或光场分布不均匀，需微调五维调节台使光场趋于高斯分布。

步骤二、光纤输出的功率和模式监测；

同上所述，安装MOT腔前侧窗玻璃与探测腔前侧窗玻璃前先进行一次光路初步准直，由于未安装窗玻璃及相应法兰，可分别测得光纤端面12到法兰13处的光功率，图3。尽管光纤输出光场在距光纤105mm的位置已有较大的发散，且功率值随距离增大衰减，可沿光束方向每隔一段距离测得相应功率值，拟合出功率随距离衰减曲线。若真空腔封装后所测13处最大耦合光功率P₁₃，可根据拟合规律估算12处光功率P₁₂，则耦合效率η＝P₁₂/P_in。光纤输入光功率P_in可通过调节激光放大器电流进行调节。

监测耦合模式对CCD14物镜的参数要求主要有放大倍率与工作距离：

1)放大倍率：由于光子晶体光纤3模场直径(1/e²)约7.5μm，而CCD传感面尺寸为mm量级，因此放大率需在10X～200X之间进行选择，放大率越大光斑成像细节越清晰；2)工作距离：从装置结构设计图1来看，若假设光纤端面和1mm小孔反射镜4齐平时，光纤端面距最左侧窗玻璃法兰5的距离为105mm。因此物镜工作距离大于105mm即可。

由以上的分析可以看出，对本实验中光纤输出模场的成像既需要放大倍数大，也需要工作距离长的物镜。而普通成像物镜的设计中放大倍率和工作距离是两个相互制约的参数，CCD14前的显微物镜15工作距离只有mm量级，不能直接用于在实际装置中进行监控。因此设计了将成像物镜16与显微物镜15进行组合的光纤耦合输出的模式监测方案，如图4。采用工作距离为110mm左右的成像镜头16将光纤输出的近场分布成像在显微物镜15的焦点上进行二次放大。本发明中显微物镜可选的放大倍数为20X、40X、60X，成像物镜放大倍率1.725X～2.2X，因此总放大倍率约40X～120X。光纤输出的光斑模式如图6所示。

本发明提出了一种用于原子导引的空间激光——光纤的耦合调节与模式监测方法。解决了由于空芯光子晶体光纤输入端距聚焦透镜较远而使耦合效率难以提高的难题，保证了空间激光——光纤耦合的调节精度；并采用功率计与CCD在真空腔外实时监测耦合光功率与光纤的近场分布，解决了长距离成像时放大倍率较小的问题，为后续光纤导引原子过程奠定了基础。

本发明与现有技术的不同在于：

(1)为了简化腔体结构，耦合光路设计在腔外进行，因此聚焦透镜的焦距收到腔体结构约束。本发明解决了导引激光与空芯光纤进行长距离耦合时耦合效率难以增大的问题，需要光路中的各光学元件有较高的调节精度，且能根据激光器的准直输出激光的模场直径灵活改变光路中的透镜组合方式。

(2)解决了长距离模式观测时成像放大倍率较小的问题，并采用功率计与CCD在真空腔外实时监测耦合光功率与光纤的近场分布，辅助激光与光纤的耦合调节过程。

图2为导引激光和空芯光子晶体光纤的耦合调试装置，图3为光纤输出的功率监测装置，图4为光纤输出的模式监测装置。图2对应步骤一的空间激光——光纤的耦合调节过程，图3和图4对应步骤二的光纤输出的功率和模式监测过程。

Claims (1)

1.一种用于冷原子导引的空间激光—光纤的耦合调节与模式监测方法，具体步骤如下：

步骤一、空间激光——光纤的耦合调节；

原子源腔左侧设有窗口法兰，右侧设有小孔波片，原子源腔产生冷原子束流；

探测腔右侧设有窗口法兰；

空芯光子晶体光纤右端位于探测腔中心，距探测腔右侧窗口法兰的距离为45mm，空芯光子晶体光纤左端位于原子源腔中小孔波片的小孔中心，距原子源腔窗口法兰的距离为105mm，空芯光子晶体光纤两端设有陶瓷头；

波长为1064nm的激光经准直器出射后束腰直径ω₀为1mm，准直激光先被平凹透镜、平凸透镜透镜组合扩束，再被聚焦透镜聚焦在空芯光子晶体光纤端面上，平凹透镜、平凸透镜、聚焦透镜组成透镜套筒；

导引激光从探测腔中心耦合进空芯光子晶体光纤中，并激发纤芯中的基模，光纤左端输出的光场形成势阱将原子束流陷俘于高斯光束中心，原子保持其初始速度沿光纤中心轴向匀速被导引；

耦合调节即：空芯光子晶体光纤、透镜套筒、激光准直器三者位于同一水平线，且透镜套筒中聚焦透镜的焦点位于探测腔中的光纤端面上，此时聚焦光束束腰位置与光纤端面重合，光纤输入端光斑尺寸最小，光功率密度最大；

第一次耦合：

激光准直器安装在三维平移台上，每个维度平移范围13mm，平移精度3μm，透镜套筒整体安装在五维(X、Y、Z、θ_X、θ_Y)调节台上，透镜套筒与光纤及激光准直器的准直通过五维调节台上的X、Y、θ_X、θ_Y调节，聚焦透镜距光纤端面的距离通过螺杆调节，五维调节台X、Y、Z方向平移范围13mm，平移精度3μm；

先采用10mw激光进行耦合调节，在原子源腔中放置功率计探头，探头中心位置与空芯光子晶体光纤水平，调节五维平移台使空芯光子晶体光纤输出功率最大且光斑模式为高斯型分布，记录此时五维调节台各维度数值，利用感光片在耦合面窗玻璃上找到此时光斑位置并进行标定；

第二次耦合：

若加热后，光斑仍处于陶瓷头端面上，则调节五维调节台将光斑移至陶瓷头中心，或者，通过第一次耦合时在耦合面窗口上标定的光斑位置，调节聚焦光束相对陶瓷头的位置；在第一次耦合调节基础上进行微调，光功率最大时估算原子源腔内光纤输出端的光功率，进而推算实际耦合效率，使用CCD观察此时光纤输出端的光场分布，如果一部分光耦合进包层中或光场分布不均匀，则微调五维调节台使光场趋于高斯分布；

步骤二、光纤输出的功率和模式监测；

安装原子源腔前侧窗玻璃与探测腔前侧窗玻璃前先进行一次光路初步准直，测得光纤端面到原子源腔法兰处的光功率，沿光束方向每隔一段距离测得相应功率值，拟合出功率随距离衰减曲线，若真空腔封装后所测原子源腔法兰处最大耦合光功率P₁₃，根据拟合规律估算光纤端面处光功率P₁₂，则耦合效率η＝P₁₂/P_in，光纤输入光功率P_in通过调节激光放大器电流进行调节；

监测耦合模式对CCD物镜的参数要求有放大倍率与工作距离：

1)放大倍率：放大率在10X～200X之间；2)工作距离：物镜工作距离大于105mm；

将成像物镜与显微物镜进行组合，得到光纤耦合输出的模式监测方案，采用工作距离为110mm左右的成像镜头将光纤输出的近场分布成像在显微物镜的焦点上进行二次放大。