[发明专利]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

说明书

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系统能够对距监测点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。

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。