[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

摘要

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。

主权项

1.一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，具体步骤如下：步骤一、空间激光——光纤的耦合调节；原子源腔左侧设有窗口法兰，右侧设有小孔波片，原子源腔产生冷原子束流；探测腔右侧设有窗口法兰；空芯光子晶体光纤右端位于探测腔中心，距探测腔右侧窗口法兰的距离为45mm，空芯光子晶体光纤左端位于原子源腔中小孔波片的小孔中心，距原子源腔窗口法兰的距离为105mm，空芯光子晶体光纤两端设有陶瓷头；波长为1064nm的激光经准直器出射后束腰直径ω₀为1mm，准直激光先被平凹透镜、平凸透镜透镜组合扩束，再被聚焦透镜聚焦在空芯光子晶体光纤端面上，平凹透镜、平凸透镜、聚焦透镜组成透镜套筒；导引激光从探测腔中心耦合进空芯光子晶体光纤中，并激发纤芯中的基模，光纤左端输出的光场形成势阱将原子束流陷俘于高斯光束中心，原子保持其初始速度沿光纤中心轴向匀速被导引；耦合调节即：空芯光子晶体光纤、透镜套筒、激光准直器三者位于同一水平线，且透镜套筒中聚焦透镜的焦点位于探测腔中的光纤端面上，此时聚焦光束束腰位置与光纤端面重合，光纤输入端光斑尺寸最小，光功率密度最大；第一次耦合：激光准直器安装在三维平移台上，每个维度平移范围13mm，平移精度3μm，透镜套筒整体安装在五维(X、Y、Z、θ_X、θ_Y)调节台上，透镜套筒与光纤及激光准直器的准直通过五维调节台上的X、Y、θ_X、θ_Y调节，聚焦透镜距光纤端面的距离通过螺杆调节，五维调节台X、Y、Z方向平移范围13mm，平移精度3μm；先采用10mw激光进行耦合调节，在原子源腔中放置功率计探头，探头中心位置与空芯光子晶体光纤水平，调节五维平移台使空芯光子晶体光纤输出功率最大且光斑模式为高斯型分布，记录此时五维调节台各维度数值，利用感光片在耦合面窗玻璃上找到此时光斑位置并进行标定；第二次耦合：若加热后，光斑仍处于陶瓷头端面上，则调节五维调节台将光斑移至陶瓷头中心，或者，通过第一次耦合时在耦合面窗口上标定的光斑位置，调节聚焦光束相对陶瓷头的位置；在第一次耦合调节基础上进行微调，光功率最大时估算原子源腔内光纤输出端的光功率，进而推算实际耦合效率，使用CCD观察此时光纤输出端的光场分布，如果一部分光耦合进包层中或光场分布不均匀，则微调五维调节台使光场趋于高斯分布；步骤二、光纤输出的功率和模式监测；安装原子源腔前侧窗玻璃与探测腔前侧窗玻璃前先进行一次光路初步准直，测得光纤端面到原子源腔法兰处的光功率，沿光束方向每隔一段距离测得相应功率值，拟合出功率随距离衰减曲线，若真空腔封装后所测原子源腔法兰处最大耦合光功率P₁₃，根据拟合规律估算光纤端面处光功率P₁₂，则耦合效率η＝P₁₂/P_in，光纤输入光功率P_in通过调节激光放大器电流进行调节；监测耦合模式对CCD物镜的参数要求有放大倍率与工作距离：1)放大倍率：放大率在10X～200X之间；2)工作距离：物镜工作距离大于105mm；将成像物镜与显微物镜进行组合，得到光纤耦合输出的模式监测方案，采用工作距离为110mm左右的成像镜头将光纤输出的近场分布成像在显微物镜的焦点上进行二次放大。