專利名稱：單角錐準直空心光束的產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種空心光束的產(chǎn)生裝置，尤其是涉及應用于冷原子噴泉型量子頻標以提高探測信噪比的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
由于空心光束不滿足空間傳播的模式不變性，因此不能由激光器直接產(chǎn)生，需要專門的光學元件制備。目前產(chǎn)生空心光束主要有角錐(也稱錐形透鏡)、空心光纖、相位振幅全息和相位板等幾種方法。從形成的空心光束的質(zhì)量以及實施方式的簡易程度來看，其中尤以利用角錐的方法來產(chǎn)生空心光束最為簡便易行且效果較好。早期利用角錐產(chǎn)生的空心光束主要是用于成像分析和精密激光打孔，隨著近二十年來冷原子物理的飛速發(fā)展，空心光束的應用突破了這一傳統(tǒng)領域，應用到“原子透鏡”、冷原子導引和冷卻、以及生物體的激光俘獲等方面。在現(xiàn)有的利用角錐產(chǎn)生空心光束的方法中，如果僅使用一個角錐，則只能得到“漏斗”型非準直空心光束(參見Optics Communications，147，1998年，第67頁)，而采用兩個角錐或一個雙錐角錐雖然可以獲得準直空心光束(參見中國激光，第30卷，第3期，2003年，第211頁Physical Review A，56，1997年第712頁)，但對角錐的加工精度和光路調(diào)節(jié)的準確度又提出了更高的要求，出射空心光束的質(zhì)量也容易受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，如何克服現(xiàn)有技術(shù)中利用角錐產(chǎn)生準直空心光束所存在的必須采用兩個角錐或一個雙錐角，而且對角錐加工精度和對光路調(diào)節(jié)精度要求過高，以及出射空心光束的質(zhì)量又容易受到影響的缺陷，這些都是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，為此，本發(fā)明的目的是提供一種單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，使之既結(jié)構(gòu)簡單，又易于加工和調(diào)整，以及產(chǎn)生的空心光束質(zhì)量好和不易受影響。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下根據(jù)本發(fā)明的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其包括一個單角錐，特點是，在該單角錐后面安裝一面后置反射鏡，它們以光路聯(lián)結(jié)，在該單角錐前面，入射激光沿光軸方向射入，再由該后置反射鏡反射入該單角錐而射出準直空心光束。
進一步，所述的單角錐和其后置的反射鏡組合之前面，設置一面中間鉆有小孔的前置反射鏡，該小孔位于光路光軸上，入射激光自該小孔射入，經(jīng)該單角錐和其后置反射鏡，再反射回來又進入該單角錐偏轉(zhuǎn)后而被該前置反射鏡反射形成準直空心光束；或所述的單角錐和其后置反射鏡組合之前面，在光軸上依入射激光方向依次設置一偏振分束棱鏡和一λ/4波片，入射激光經(jīng)偏振分束棱鏡、λ/4波片、單角錐和后置反射鏡，再由該后置反射鏡反射回來，最后從該偏振分束棱鏡的另一邊射出形成準直空心光束；再具體地，上述的位于該單角錐之后的后置反射鏡為0°全反射鏡；上述的單角錐的縱截面為一頂腰三角形，且為了便于安裝，還在該單角錐底面連接一圓柱體，即本發(fā)明所使用的單角錐為一圓錐體，并在該圓錐體底面連接一安裝圓柱體；上述的該單角錐前置反射鏡為一45°全反射鏡；所述的λ/4波片的光軸與所述由偏振分束棱鏡形成的入射激光的偏振方向成45°
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置減少了光學元件數(shù)量，降低了對關鍵光學元件——角錐的加工精度的要求，光路調(diào)節(jié)只需要反射鏡與光軸垂直、單塊角錐的對稱軸與光軸重合即可，不必考慮使用兩個角錐時之間的同軸性，大大降低了光路調(diào)節(jié)的難度。本發(fā)明可方便地用來改善噴泉型冷原子鐘中存在的探測信噪比低的缺陷，在冷原子團上拋和下落的過程中，空心光束起到“束縛”和“導引”的作用，將冷原子團“束縛”在光強最弱的中心區(qū)域，像一根“管子”一樣有效減少冷原子團徑向的熱擴散，使最終落到探測區(qū)的原子數(shù)目盡可能地多，提高信噪比為10倍左右。


圖1是本發(fā)明中角錐結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的單角錐實現(xiàn)準直空心光束示意圖。
圖3是本發(fā)明的空心光束半徑與角錐頂點到反射鏡距離關系的實驗驗證示意圖。
圖4是本發(fā)明的空心光束CCD成像圖及徑向光強分布圖。
圖5是本發(fā)明的另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的又另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面根據(jù)圖1～圖6給出本發(fā)明的較好實施例，并結(jié)合對這些實施例的描述，使能更好地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功能特點，但它們僅用來說明本發(fā)明而不是用來限制本發(fā)明的范圍。
實施例1.
根據(jù)圖1～圖2給出本發(fā)明的實施例1，如圖1所示，本實施例所使用的關健光學元件單角錐1，它是一個圓錐體10加上一段圓柱體11，該圓柱體11是用于光路安裝，本實施列中，圓柱體10的縱截面為一等腰三角形，其底邊長為49.9毫米，高為10.3毫米，圓柱體11的高度為5.3毫米。本發(fā)明所使用的單角錐1，從本質(zhì)上說，屬于非球面特殊透鏡，其光學特性就是對入射激光進行偏轉(zhuǎn)。
圖2是體現(xiàn)本發(fā)明核心思路的示意圖，即在單角錐1后面加一面反射鏡(或稱后置反射鏡)2，讓激光兩次通過同一角錐，然后出射形成準直空心光束，出射空心光束的大小由入射光斑大小和角錐頂點到反射鏡的距離兩個參量決定，只需改變第二個參量便可得到所需大小的空心光束。設入射激光的半腰半徑為w、角錐頂點到后置反射鏡2的距離為d、角錐底角為θ以及角錐的折射率為n。角錐對入射準直平行激光(遠場發(fā)散角較小)的偏轉(zhuǎn)角為δ＝arcsin(nsinθ)-θ。如果采用底角很小的角錐，則上式還可進一步簡化為δ＝(n-1)θ。本發(fā)明中設計的角錐與目前大多數(shù)利用角錐產(chǎn)生空心光束的實驗不同，底角較大，但實驗結(jié)果證明并未影響成像效果。角錐后形成的“Bessel區(qū)域”(即在該區(qū)域內(nèi)徑向光強分布不隨傳播距離的改變而發(fā)生變化，此現(xiàn)象稱為“無衍射”特性，其光束稱為“無衍射Bessel光束”)的長度l＝(w/tanδ)-wtanθ，出射空心光束的外徑rout＝2d/(1/tanδ-tanθ)，內(nèi)徑rin＝2d-l/(1/tanδ-tanθ)，由此可以定義空心光束半徑為rHLB＝(rout+rin)/2＝[2d/(1/tanδ-tanθ)]-w/2 (1)本實施例中采用角錐n＝1.51，θ＝22.4°，δ＝12.7°，故有d≈2.013rHLB+W (2)從上式可以很清楚地看出，出射空心光束的半徑同角錐頂點到反射鏡的距離呈線性關系，可以通過調(diào)節(jié)后者大小，方便地改變空心光束的尺寸，這是本發(fā)明的優(yōu)越之處。
實施例2.
本實施例的具體方案如圖5所示，在單角錐1和其后置的0°全反射鏡2組合的前面放置一個中間鉆有小孔30的45°全反射鏡3，入射激光被該0°全反射鏡2反射后由小孔30沿原路射出，而空心光束則被45°全反射鏡3反射偏離入射激光方向輸出，這樣一種折疊式光路節(jié)省了空間，且輸出空心光束避開了同軸的入射激光。另外輸出空心光束不受激光偏振的限制，小孔30還起到了“過濾”的作用，使空心光束中心更干凈。唯一的不足就是輸出空心光束的口徑受小孔30的限制，不能太小。
實施例3.
本實施例的具體方案如圖6所示。當入射激光為線偏振光時(這一點通常都可以滿足)，讓入射激光先通過一塊偏振分束棱鏡4，再通過光軸方向與激光偏振方向成45°的λ/4波片5，然后經(jīng)過單角錐1和0°全反射鏡2組合，這樣出射空心光束的偏振方向與入射激光的偏振方向垂直，從偏振分束棱鏡4的另一邊射出，也解決了與入射激光同軸輸出的問題。本實施例的優(yōu)點在于空心光束的大小可以任意調(diào)節(jié)，不受實施例2中小孔30大小對空心光束的限制。
最后，利用實施例3對式(2)所作的實驗驗證，如圖3所示(其中w＝1.2mm)，可以看出理論與實驗符合得很好。
利用上述實施例得到的空心光束CCD成像圖以及橫截面光強分布如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，包括一個單角錐，其特征在于在該單錐后面設置一與其成光路聯(lián)結(jié)的后置反射鏡，入射激光從該單角錐的前方射入，經(jīng)該后置反射鏡反射后返回該單角錐，再從該單錐射出而形成準直空心光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其特征在于所述的單角錐和其后置的反射鏡組合之前面設置一面中間鉆有小孔的前置反射鏡，光軸穿過該小孔，入射激光自該小孔射入。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其特征在于所述中間鉆有小孔的前置反射鏡該為45°全反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其特征在于所述的單角錐和其后置的反射鏡組合前面的光軸上按入射激光方向，依次設一偏振分束棱鏡和一λ/4波片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其特征在于所述單角錐后置的反射鏡為一面0°全反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其特征在于所述的單角錐是一圓錐體并在其底面連接一安裝圓柱體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，其特征在于所述的單角錐的縱截面為等腰三角形。
全文摘要
一種單角錐準直空心光束產(chǎn)生裝置，包括一個單角錐，特點是，在所述單角錐的后面設一與其成光路聯(lián)結(jié)的全反射鏡，入射激光從該單角錐沿光軸方向射入，經(jīng)該全反射鏡反射至該單角錐，經(jīng)偏轉(zhuǎn)射出形成準直空心光束。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，單角錐加工方便，施易實施且產(chǎn)生的空心光束質(zhì)量好，不易受影響的優(yōu)點。
文檔編號G02B5/08GK1560666SQ200410016728
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者錢勇, 王育竹, 張宇, 魏榮, 邊風剛, 錢 勇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所