CN1560666A - 单角锥准直空心光束的产生装置 - Google Patents

Abstract

一种单角锥准直空心光束产生装置，包括一个单角锥，特点是，在所述单角锥的后面设一与其成光路联结的全反射镜，入射激光从该单角锥沿光轴方向射入，经该全反射镜反射至该单角锥，经偏转射出形成准直空心光束。本发明具有结构简单，单角锥加工方便，施易实施且产生的空心光束质量好，不易受影响的优点。

Description

单角锥准直空心光束的产生装置

技术领域：

本发明涉及一种空心光束的产生装置，尤其是涉及应用于冷原子喷泉型量子频标以提高探测信噪比的单角锥准直空心光束产生装置。

背景技术：

由于空心光束不满足空间传播的模式不变性，因此不能由激光器直接产生，需要专门的光学元件制备。目前产生空心光束主要有角锥(也称锥形透镜)、空心光纤、相位振幅全息和相位板等几种方法。从形成的空心光束的质量以及实施方式的简易程度来看，其中尤以利用角锥的方法来产生空心光束最为简便易行且效果较好。早期利用角锥产生的空心光束主要是用于成像分析和精密激光打孔，随着近二十年来冷原子物理的飞速发展，空心光束的应用突破了这一传统领域，应用到“原子透镜”、冷原子导引和冷却、以及生物体的激光俘获等方面。在现有的利用角锥产生空心光束的方法中，如果仅使用一个角锥，则只能得到“漏斗”型非准直空心光束(参见Optics Communications，147，1998年，第67页)，而采用两个角锥或一个双锥角锥虽然可以获得准直空心光束(参见中国激光，第30卷，第3期，2003年，第211页：Physical Review A，56，1997年第712页)，但对角锥的加工精度和光路调节的准确度又提出了更高的要求，出射空心光束的质量也容易受到影响。

发明内容：

如上所述，如何克服现有技术中利用角锥产生准直空心光束所存在的必须采用两个角锥或一个双锥角，而且对角锥加工精度和对光路调节精度要求过高，以及出射空心光束的质量又容易受到影响的缺陷，这些都是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的是提供一种单角锥准直空心光束产生装置，使之既结构简单，又易于加工和调整，以及产生的空心光束质量好和不易受影响。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的单角锥准直空心光束产生装置，其包括一个单角锥，特点是，在该单角锥后面安装一面后置反射镜，它们以光路联结，在该单角锥前面，入射激光沿光轴方向射入，再由该后置反射镜反射入该单角锥而射出准直空心光束。

进一步，所述的单角锥和其后置的反射镜组合之前面，设置一面中间钻有小孔的前置反射镜，该小孔位于光路光轴上，入射激光自该小孔射入，经该单角锥和其后置反射镜，再反射回来又进入该单角锥偏转后而被该前置反射镜反射形成准直空心光束；或

所述的单角锥和其后置反射镜组合之前面，在光轴上依入射激光方向依次设置一偏振分束棱镜和一λ/4波片，入射激光经偏振分束棱镜、λ/4波片、单角锥和后置反射镜，再由该后置反射镜反射回来，最后从该偏振分束棱镜的另一边射出形成准直空心光束；

再具体地，上述的位于该单角锥之后的后置反射镜为0°全反射镜；

上述的单角锥的纵截面为一顶腰三角形，且为了便于安装，还在该单角锥底面连接一圆柱体，即本发明所使用的单角锥为一圆锥体，并在该圆锥体底面连接一安装圆柱体；上述的该单角锥前置反射镜为一45°全反射镜；所述的λ/4波片的光轴与所述由偏振分束棱镜形成的入射激光的偏振方向成45°

与已有技术相比，本发明所提出的单角锥准直空心光束产生装置减少了光学元件数量，降低了对关键光学元件——角锥的加工精度的要求，光路调节只需要反射镜与光轴垂直、单块角锥的对称轴与光轴重合即可，不必考虑使用两个角锥时之间的同轴性，大大降低了光路调节的难度。本发明可方便地用来改善喷泉型冷原子钟中存在的探测信噪比低的缺陷，在冷原子团上抛和下落的过程中，空心光束起到“束缚”和“导引”的作用，将冷原子团“束缚”在光强最弱的中心区域，像一根“管子”一样有效减少冷原子团径向的热扩散，使最终落到探测区的原子数目尽可能地多，提高信噪比为10倍左右。

附图说明：

图1是本发明中角锥结构示意图。

图2是本发明的单角锥实现准直空心光束示意图。

图3是本发明的空心光束半径与角锥顶点到反射镜距离关系的实验验证示意图。

图4是本发明的空心光束CCD成像图及径向光强分布图。

图5是本发明的另一实施例结构示意图。

图6是本发明的又另一实施例结构示意图。

具体实施方式：

下面根据图1～图6给出本发明的较好实施例，并结合对这些实施例的描述，使能更好地理解本发明的结构特征和功能特点，但它们仅用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。

实施例1.

根据图1～图2给出本发明的实施例1，如图1所示，本实施例所使用的关健光学元件单角锥1，它是一个圆锥体10加上一段圆柱体11，该圆柱体11是用于光路安装，本实施列中，圆柱体10的纵截面为一等腰三角形，其底边长为49.9毫米，高为10.3毫米，圆柱体11的高度为5.3毫米。本发明所使用的单角锥1，从本质上说，属于非球面特殊透镜，其光学特性就是对入射激光进行偏转。

图2是体现本发明核心思路的示意图，即在单角锥1后面加一面反射镜(或称后置反射镜)2，让激光两次通过同一角锥，然后出射形成准直空心光束，出射空心光束的大小由入射光斑大小和角锥顶点到反射镜的距离两个参量决定，只需改变第二个参量便可得到所需大小的空心光束。设入射激光的半腰半径为w、角锥顶点到后置反射镜2的距离为d、角锥底角为θ以及角锥的折射率为n。角锥对入射准直平行激光(远场发散角较小)的偏转角为δ＝arcsin(nsinθ)-θ。如果采用底角很小的角锥，则上式还可进一步简化为δ＝(n-1)θ。本发明中设计的角锥与目前大多数利用角锥产生空心光束的实验不同，底角较大，但实验结果证明并未影响成像效果。角锥后形成的“Bessel区域”(即在该区域内径向光强分布不随传播距离的改变而发生变化，此现象称为“无衍射”特性，其光束称为“无衍射Bessel光束”)的长度l＝(w/tanδ)-wtanθ，出射空心光束的外径r_out＝2d/(1/tanδ-tanθ)，内径r_in＝2d-l/(1/tanδ-tanθ)，由此可以定义空心光束半径为：

       r_HLB＝(r_out+r_in)/2＝[2d/(1/tanδ-tanθ)]-w/2           (1)

本实施例中采用角锥n＝1.51，θ＝22.4°，δ＝12.7°，故有：

       d≈2.013r_HLB+W                                         (2)

从上式可以很清楚地看出，出射空心光束的半径同角锥顶点到反射镜的距离呈线性关系，可以通过调节后者大小，方便地改变空心光束的尺寸，这是本发明的优越之处。

实施例2.

本实施例的具体方案如图5所示，在单角锥1和其后置的0°全反射镜2组合的前面放置一个中间钻有小孔30的45°全反射镜3，入射激光被该0°全反射镜2反射后由小孔30沿原路射出，而空心光束则被45°全反射镜3反射偏离入射激光方向输出，这样一种折叠式光路节省了空间，且输出空心光束避开了同轴的入射激光。另外输出空心光束不受激光偏振的限制，小孔30还起到了“过滤”的作用，使空心光束中心更干净。唯一的不足就是输出空心光束的口径受小孔30的限制，不能太小。

实施例3.

本实施例的具体方案如图6所示。当入射激光为线偏振光时(这一点通常都可以满足)，让入射激光先通过一块偏振分束棱镜4，再通过光轴方向与激光偏振方向成45°的λ/4波片5，然后经过单角锥1和0°全反射镜2组合，这样出射空心光束的偏振方向与入射激光的偏振方向垂直，从偏振分束棱镜4的另一边射出，也解决了与入射激光同轴输出的问题。本实施例的优点在于空心光束的大小可以任意调节，不受实施例2中小孔30大小对空心光束的限制。

最后，利用实施例3对式(2)所作的实验验证，如图3所示(其中w＝1.2mm)，可以看出理论与实验符合得很好。

利用上述实施例得到的空心光束CCD成像图以及横截面光强分布如图4所示。

Claims (7)

1、一种单角锥准直空心光束产生装置，包括一个单角锥，其特征在于：在该单锥后面设置一与其成光路联结的后置反射镜，入射激光从该单角锥的前方射入，经该后置反射镜反射后返回该单角锥，再从该单锥射出而形成准直空心光束。

2、根据权利要求1所述的单角锥准直空心光束产生装置，其特征在于：所述的单角锥和其后置的反射镜组合之前面设置一面中间钻有小孔的前置反射镜，光轴穿过该小孔，入射激光自该小孔射入。

3、根据权利要求2所述的单角锥准直空心光束产生装置，其特征在于：所述中间钻有小孔的前置反射镜该为45°全反射镜。

4、根据权利要求1所述的单角锥准直空心光束产生装置，其特征在于：所述的单角锥和其后置的反射镜组合前面的光轴上按入射激光方向，依次设一偏振分束棱镜和一λ/4波片。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的单角锥准直空心光束产生装置，其特征在于：所述单角锥后置的反射镜为一面0°全反射镜。

6、根据权利要求1、2、3或4所述的单角锥准直空心光束产生装置，其特征在于：所述的单角锥是一圆锥体并在其底面连接一安装圆柱体。

7、根据权利要求1、2、3或4所述的单角锥准直空心光束产生装置，其特征在于：所述的单角锥的纵截面为等腰三角形。

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