[发明专利]用于原子钟的荧光收集装置

说明书

技术领域

本发明属于光学探测器件技术领域，具体涉及到接收荧光的设备或装置。

背景技术

目前原子钟探测区的荧光收集装置要求探测原子不同量子态荧光强度。对于探测原子不同量子态的荧光收集装置来说，首先要保证不同量子态发出荧光有比较高的收集率和信噪比，特别是对于极弱荧光时，信噪比的提高尤其重要。除了信噪比之外，为了得到每个量子态发出荧光强度，还要分离不同量子态发出荧光信号，提高探测的准确度。

原子钟探测区的荧光收集装置，要求将原子不同量子态上原子发出的荧光进行有效地收集和分离，将原子不同量子态发出的荧光收集到其对应探测区的探测元件上。由于探测到的荧光极弱，所以要求成像在探测元件上的弥散斑尽可能的小，以求达到最大信噪比，而且要求不同量子态的荧光不能相互干扰。目前原子钟探测区荧光收集装置主要有两种；一是由多组光学透镜组成的对称系统进行收集，这种探测装置可以有效地减小原子团荧光成像在探测元件上的弥散斑，提高了信噪比，可以对不同量子态原子荧光进行有效地分离，并且可以将原子团与探测光交汇区全部荧光收集到其对应的探测元件上。但是这种装置最大的一个缺点是：透镜数目众多，对极弱的原子荧光吸收损耗比较大。二是用两个透镜组成的收集装置，装配简单，透镜数目少，吸收损耗少，但是这种装置，对于原子团与探测光交汇区原子荧光成像在探测元件上的弥散斑比较大，其次这种结构的装置，不能同时兼顾探测元件上弥散斑小与原子不同量子态发出的荧光进行有效地分离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述原子钟荧光收集装置的缺点，提供一种收集效率高、结构简单、荧光吸收损耗小的用于原子钟的荧光收集装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在真空腔体的下端设置有冷原子发射器，真空腔体右外侧壁上设置有第一扩束镜筒和第二扩束镜筒，第一扩束镜筒和第二扩束镜筒的光轴与真空腔体的中心线相垂直，第一扩束镜筒通过光导纤维与第一激光器相连，第二扩束镜筒通过光导纤维与第二激光器相连，在真空腔体左外侧壁上设置有第一荧光接收器和第二荧光接收器。本发明的第一荧光接收器为：在真空腔体左侧壁设置有镜筒，镜筒内右端设置有光入射面为平面、出射面为凸面的S1平凸透镜，S1平凸透镜凸面的曲率半径为30～40mm，距离S1平凸透镜左端面左侧5～15mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的非球面镜，非球面镜凸面的曲率半径为25～35mm、非球面二次曲面系数为-1.5～15，距离非球面镜左端面左侧40～70mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的S2平凸透镜，S2平凸透镜凸面的曲率半径为20～50mm，距离S2平凸透镜左端面左侧10～20mm处光出射方向的镜筒侧面上设置有光电转换器；在S1平凸透镜、非球面镜、S2平凸透镜的镜面上真空蒸镀4～6层二氧化硅减反膜；所述的第二荧光接收器与第一荧光接收器的结构完全相同

本发明的S1平凸透镜凸面的曲率半径最佳为35mm，距离S1平凸透镜左端面左侧最佳10mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的非球面镜，非球面镜凸面的曲率半径最佳为30mm、非球面二次曲面系数为，距离非球面镜左端面左侧最佳55mm处光出射方向上设置有光入射面为凸面、出射面为平面的S2平凸透镜，S2平凸透镜凸面的曲率半径最佳为35mm，距离S2平凸透镜左端面左侧15mm处光出射方向的镜筒侧面上设置有光电转换器；在S1平凸透镜、非球面镜、S2平凸透镜的镜面上真空蒸镀最佳5层二氧化硅减反膜。

本发明的第一扩束镜筒的光轴与第二扩束镜筒的光轴之间的距离为10～20mm。

本发明的第一荧光接收器的光轴与第一扩束镜筒的光轴相重合，第二荧光接收器的光轴与第二激光器的光轴相重合。

本发明采用冷原子发射器发出的冷原子团在真空腔体内下落过程中与真空腔体侧壁竖直方向排列的不同波长的激光器出射的激光相互作用，不同波长的激光先后与原子团作用形成发出极弱荧光的发光原子团，发光原子团发出的荧光一部分被真空腔体另一侧壁上对应竖直方向排列的荧光接收装置收集并成像在其内部的光电转换器上。每一个量子态原子辐射的荧光会被相应量子态的荧光接收装置收集，从而做到了荧光分离，提高了探测原子各个量子态荧光强度的准确性。

本发明的荧光接收装置利用1个非球面透镜和2个平凸透镜组成的透镜组在保证系统所需要光焦度前提下，将光电转换元件上的弥散斑进一步减小，并且可以将原子不同量子态发出的荧光进行有效地分离，将他们各自成像在各自的光电转换元件上。由于透镜组只有3个透镜，降低了透镜对于极弱荧光的吸收损耗，提高了荧光的收集效率。