CN114414540B - 一种冷原子团荧光信号相干探测装置 - Google Patents

一种冷原子团荧光信号相干探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种冷原子团荧光信号相干探测装置，包括一个第一光学镜模块、至少一个第二光学镜模块，一光电探测器和一数模转化器；第一光学镜模块包括沿光路依次设置的第一前镜组、第一光阑、第一反射镜组件和第一后镜组，第一前镜组对准冷原子团设置；第二光学镜模块包括沿光路依次设置的第二前镜组、第二光阑、第二反射镜组件、相位延迟器和第二后镜组，第二前镜组对准冷原子团设置；光电探测器与数模转化器连接，用于接收第一后镜组和第二后镜组射出的原子团荧光信号，数模转化器用于将原子团荧光信号转化为数字信号，其采用第一光学镜模块和第二光学镜模块之间相位延迟形成的相干探测，可以显著提高荧光探测信噪比。

Description

一种冷原子团荧光信号相干探测装置
技术领域
本发明涉及冷原子荧光信号探测技术领域，具体涉及一种冷原子团荧光信号相干探测装置。
背景技术
冷原子技术是通过操控原子量子态变化，实现原子物理特性研究、精密测量的技术，应用在量子通信，原子钟，原子重力仪，量子模拟等多个领域。冷原子精密测量结果以原子量子态分布形式表现，可采用特定激光激发不同量子态产生荧光辐射，通过获取荧光辐射强度获取测量结果。
通常冷原子装置需处于优于10-7Pa的超高真空环境中，用于隔绝杂质气体对测量干扰。为获取足够强度的荧光信号，需从真空环境内背景气体中捕获分散在空间的原子气体聚集成冷原子团。进而通过光学镜组聚焦于原子团位置获取荧光信号。
由于真空环境中存在均匀分散的原子气体，在激光激发原子团时产生荧光。同时激光在真空腔体内的散射光会进入光学镜组。这两者属于非信号光，合称为杂光，是冷原子团荧光信号的主要噪声源。而提高荧光探测信噪比能直接提升量子精密测量的能力。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种冷原子团荧光信号相干探测装置，以解决现有技术中荧光探测信噪比低导致两字精密测量能力较差的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种冷原子团荧光信号相干探测装置，包括一个第一光学镜模块、至少一个第二光学镜模块，一光电探测器和一数模转化器；
所述第一光学镜模块包括沿光路依次设置的第一前镜组、第一光阑、第一反射镜组件和第一后镜组，所述第一前镜组对准冷原子团设置；
所述第二光学镜模块包括沿光路依次设置的第二前镜组、第二光阑、第二反射镜组件、相位延迟器和第二后镜组，所述第二前镜组对准冷原子团设置；
所述光电探测器与所述数模转化器连接，用于接收所述第一后镜组和所述第二后镜组射出的原子团荧光信号，所述数模转化器用于将原子团荧光信号转化为数字信号。
与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
本申请提供的冷原子团荧光信号相干探测装置，采用第一光学镜模块和第二光学镜模块之间相位延迟形成的相干探测，可以显著提高荧光探测信噪比。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述第二光学镜模块的数目为多个，多个所述第二光学镜模块的相位延迟器的相位延迟设定不同。
进一步的，所述第一反射镜组件包括多个第一反射镜，多个所述第一反射镜依次反射所述第一光阑和所述第一后镜组之间的光线。
进一步的，所述第二反射镜组件包括多个第二反射镜，多个所述第二反射镜依次反射所述第二光阑和所述第二后镜组之间的光线。
进一步的，还包括至少两个光纤组件，所述光纤组件包括一一对应连接的光纤耦合镜和光纤，其中一个所述光纤耦合镜安装于所述第一后镜组的出射端，用于将从第一后镜组射出的原子团荧光信号导入对应的光纤中；其他所述光纤耦合镜安装于所述第二后镜组的出射端，用于将从第二后镜组射出的原子团荧光信号导入对应的光纤中，所有所述光纤的出射端连接至所述光电探测器。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种冷原子团荧光信号相干探测装置的结构示意图；
图2为本发明的另一种实施方式。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
如图1所示，本申请实施例提供了一种冷原子团荧光信号相干探测装置，包括一个第一光学镜模块1、至少一个第二光学镜模块2，一光电探测器3和一数模转化器4。
在本实施例中，第二光学镜模块2的数目为一个。
为了便于理解，图1所示为本实施例相干探测装置的使用示意图，其中，待观测的冷原子团51位于超高真空***5中，该超高真空***中还存在有均匀分布的原子气体52，在本实施例中，待观测的冷原子团采用铷原子同位素Rb87，超高真空***5由钛合金制造，并配有荧光观测窗口，使用时通过磁光阱技术从超高真空***5的铷原子蒸汽中聚集冷原子团51，冷原子团51观测的尺寸约2mm。
具体的，所述第一光学镜模块1包括沿光路依次设置的第一前镜组11、第一光阑12、第一反射镜组件13和第一后镜组14，所述第一前镜组11对准冷原子团51设置。
所述第二光学镜模块2包括沿光路依次设置的第二前镜组21、第二光阑22、第二反射镜组件23、相位延迟器24和第二后镜组25，所述第二前镜组21对准冷原子团51设置。
所述光电探测器3与所述数模转化器4连接，用于接收所述第一后镜组14和所述第二后镜组25射出的原子团荧光信号，所述数模转化器4用于将原子团荧光信号转化为数字信号。
其中，第一前镜组11和第二前镜组21为多枚光学透镜组成的镜片组，为光学测量中常用的镜片组合方式，针对本实施例中，前镜组选用镜片规格型号如下表1所示：
表1前镜组选用镜片单位：mm
同样的，第一后镜组14和第二后镜组25为多枚光学透镜组成的镜片组，为光学测量中常用的镜片组合方式，在本实施例中，后镜组选用镜片规格型号如下表2所示：
表2后镜组选用镜片单位：mm
其中，Rb87原子荧光为单一波长，设计中不需考虑色差校正。出于成本考虑，统一选用H-K9L玻璃。
第一光阑12和第二光阑22由光学镜组镜筒加工。整个光学镜组孔径0.24mm，对应收集立体角为1.44％，荧光镜头倍率为×2/3。
光电探测器3选择倍增型光电探测器，探测靶面2mm，配合光学镜组可满足3mm直径区域探测，满足冷原子团41尺寸。
图1中实线表示原子团荧光路径；图中虚线表示杂光路径，下面对本申请的设计原理进行详细说明。
由第一前镜组11、第一光阑12、第一反射镜组件13和第一后镜组14组成的第一光学镜模块1将冷原子团51发出荧光会聚至光电探测器3上。记该光学成像镜头收集的荧光强度为I荧光1，光幅度为E荧光1；杂光强度为I杂光1，光幅度为E杂光1。
因原子团荧光具有相干性，发射光子幅度相位一致，可记作：
对应的荧光强度：
I荧光1∝|E荧光1|2＝|A荧光1|2
杂光来至与不同背景原子发射的光子，相互之间存在不同相位，可记作：
对应的杂光强度：
由于是随机分布的值，因此上式右边第2项为0。
由第二前镜组21、第二光阑22、第二反射镜组件23、相位延迟器24和第二后镜组25组成的第而光学镜模块2，与第一光学镜模块1一致，将冷原子团51发出的荧光会聚至光电探测器3上。
记该光学成像镜头收集的荧光强度为I荧光2，光幅度为E荧光2；杂光强度为I杂光2，光幅度为E杂光2。I荧光2、E荧光2、I杂光2、E杂光2与I荧光1、E荧光1、I杂光1、E杂光1具有相同特性和相互关系。
光电探测器5探测到荧光信号强度I总荧光
第一光学镜模块1和第二光学镜模块2具有相同的收集光能力，因此，A荧光1＝A荧光2。通过设定相位延迟器24，可改变使/>此时，
I总荧光∝4|A荧光1|2＝2(I荧光1+I荧光2)
光电探测器5探测到的杂光信号I总杂光
由于杂光相位随机分布，上式第3项值为0。
最终可得到荧光探测信噪比为
因此，本申请提供的冷原子团荧光信号相干探测装置，采用第一光学镜模块1和第二光学镜模块2之间相位延迟形成的相干探测，可以显著提高荧光探测信噪比。
根据上述推导可知，为获取更高信噪比提升，所述第二光学镜模块2的数目可以为多个，且多个所述第二光学镜模块的相位延迟器的相位延迟设定不同。
为了灵活设计光学镜组，适应不同应用场景，所述第一反射镜组件13包括多个第一反射镜，多个所述第一反射镜依次反射所述第一光阑12和所述第一后镜组14之间的光线；所述第二反射镜组件23包括多个第二反射镜，多个所述第二反射镜依次反射所述第二光阑22和所述第二后镜组25之间的光线。
为了降低光学镜组之间以及与光电探测器3的安装对准难度，该相干探测装置还包括至少两个光纤组件6，设计为空间光路与光纤光路组合方式，如图2所示，图中省略了光反射过程，所述光纤组件6包括一一对应连接的光纤耦合镜61和光纤62，其中一个所述光纤耦合镜61安装于所述第一后镜组14的出射端，用于将从第一后镜组14射出的原子团荧光信号导入对应的光纤62中；其他所述光纤耦合镜61安装于所述第二后镜组25的出射端，用于将从第二后镜组25射出的原子团荧光信号导入对应的光纤62中，其中，所有所述光纤62的出射端连接至所述光电探测器3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冷原子团荧光信号相干探测装置，其特征在于，包括一个第一光学镜模块、至少一个第二光学镜模块，一光电探测器和一数模转化器；
所述第一光学镜模块包括沿光路依次设置的第一前镜组、第一光阑、第一反射镜组件和第一后镜组，所述第一前镜组对准冷原子团设置；
所述第二光学镜模块包括沿光路依次设置的第二前镜组、第二光阑、第二反射镜组件、相位延迟器和第二后镜组，所述第二前镜组对准冷原子团设置；
所述光电探测器与所述数模转化器连接，用于接收所述第一后镜组和所述第二后镜组射出的原子团荧光信号，所述数模转化器用于将原子团荧光信号转化为数字信号；
其中，所述冷原子团荧光信号相干探测装置中，待观测的冷原子团位于超高真空***中，所述超高真空***中还存在有均匀分布的原子气体，所述超高真空***配有荧光观测窗口；
其中，第一前镜组和第二前镜组为多枚光学透镜组成的镜片组，第一后镜组和第二后镜组为多枚光学透镜组成的镜片组；
所述第一前镜组、第一光阑、第一反射镜组件和第一后镜组组成的第一光学镜模块将冷原子团发出荧光会聚至光电探测器上；所述第二前镜组、第二光阑、第二反射镜组件、相位延迟器和第二后镜组组成的第二光学镜模块，与第一光学镜模块一致，将冷原子团发出的荧光会聚至光电探测器上；
所述冷原子团荧光信号相干探测装置，采用第一光学镜模块和第二光学镜模块之间相位延迟形成相干探测。
2.根据权利要求1所述的冷原子团荧光信号相干探测装置，其特征在于，所述第二光学镜模块的数目为多个，多个所述第二光学镜模块的相位延迟器的相位延迟设定不同。
3.根据权利要求1所述的冷原子团荧光信号相干探测装置，其特征在于，所述第一反射镜组件包括多个第一反射镜，多个所述第一反射镜依次反射所述第一光阑和所述第一后镜组之间的光线。
4.根据权利要求1所述的冷原子团荧光信号相干探测装置，其特征在于，所述第二反射镜组件包括多个第二反射镜，多个所述第二反射镜依次反射所述第二光阑和所述第二后镜组之间的光线。
5.根据权利要求1所述的冷原子团荧光信号相干探测装置，其特征在于，还包括至少两个光纤组件，所述光纤组件包括一一对应连接的光纤耦合镜和光纤，其中一个所述光纤耦合镜安装于所述第一后镜组的出射端，用于将从第一后镜组射出的原子团荧光信号导入对应的光纤中；其他所述光纤耦合镜安装于所述第二后镜组的出射端，用于将从第二后镜组射出的原子团荧光信号导入对应的光纤中，所有所述光纤的出射端连接至所述光电探测器。
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