一种束腰连续可调的光晶格装置

本发明属于冷原子，具体涉及到一种束腰连续可调的光晶格装置，适用于超冷原子、量子计算、原子频标等领域。

背景技术：

1、光晶格作为模拟固体物理的光场结构，其晶格常数和光场阱深等参数具有易于调控的特点，相对于固体物理的晶格结构具有明显优势，在超冷原子物理、量子计算、原子频标等领域有着广泛的应用。常见的光晶格结构是使用一面反射镜，将正入射的准直单频光束原路返回，从而形成周期为入射光波长一半的驻波场，即光晶格结构。相同入射光功率条件下，光学束腰尺寸越小，晶格场产生的囚禁势的阱深越大。因此，可以将入射光聚焦，反射镜前面也加入一个透镜，在保证光路原路返回的条件下，使得焦点附近处的晶格场获得较大的阱深。在冷原子领域，基于光场对原子的操控，甚至需要形成对于单个原子或者分子的囚禁。所以，光晶格光束的束腰需要有一定的调节范围。这样可以针对不同的冷原子样品尺寸形成有效匹配的光学势阱，便于对冷原子样品的操控。

2、在研究超冷原子的超流到mott绝缘态相变的实验中，也需要对光晶格的阱深进行调节。势阱深度在从小到大的调解过程中，可以观测到超冷原子从超流态转变到mott绝缘态的转变。近来，作为研究热点的光晶格原子钟，其中的光晶格光引起的钟频移也是一项重要的系统不确定度评估项，为尽可能减小这一光频移，需要由深到浅改变光晶格的阱深。同时，在原子装载到光晶格中过程时，需要调节阱深保证有尽可能多的原子装载入光晶格。

3、激光器的出光功率都是一定的，在最佳装载条件下，仅通过改变光功率实现大范围调节光晶格阱深很不现实。如果能结合调整光晶格束腰的方式来改变光晶格的阱深，在保证冷原子在有效原子装载的前提下，就能增大光晶格阱深的调节范围。因此，一种束腰连续可调的光晶格装置显得极其重要。本发明提出一种束腰连续可调的光晶格装置，在满足原子在光晶格中的最优装载的同时可大范围的调节光晶格的阱深，以实现冷原子装载实验研究的需要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种束腰连续可调的光晶格装置，本发明可快速的调节光晶格的束腰大小，也可以在调整束腰大小的同时保证束腰位置处于科学实验腔的中心。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

3、一种束腰连续可调的光晶格装置，包括科学实验腔，科学实验腔一对侧面作为原子束侧面，科学实验腔另一对侧面作为光晶格光侧面，两个光晶格光侧面分别用真空窗片密封，两个原子束侧面共轴的中心轴线与两个光晶格光侧面共轴的中心轴线垂直，其中一个光晶格光侧面与第一类笼式支撑杆连接，第一类笼式支撑杆上自远离科学实验腔的方向依次设置有第二同轴安装板、第一同轴安装板、以及第一反射镜架，第二同轴安装板上设置有第二金属套筒，第二金属套筒内设置有汇聚透镜，第一同轴安装板上设置有第一金属套筒，第一金属套筒内设置有准直透镜，第一反射镜架上设置有光纤接口法兰盘，另一个光晶格光侧面与第二类笼式支撑杆连接，第二类笼式支撑杆上设置有第二反射镜架，第二反射镜架上设置有第三金属套筒，第三金属套筒内设置有凹面反射镜。

4、如上所述科学实验腔为十四面体的对称结构台柱，两个相对的台面的中间开有通光孔，两个台面上的通光孔均使用真空窗片密封，另外的十二个侧面围绕垂直于台面的中心轴对称分布，其中一对正对的侧面作为原子束侧面，原子束侧面中间开有通孔，另外一对正对的侧面作为光晶格光侧面，两个光晶格光侧面中间开有通光孔且通过真空窗片对通光孔进行密封，另外四对正对的侧面也开有通光孔并通过真空窗片对通光孔进行密封，十二个侧面的外侧面上均匀分布有定位丝孔。

5、如上所述第一类笼式支撑杆包括多个设置有刻度的第一类支撑杆，第一类支撑杆的一端与其中一个光晶格光侧面上对应的定位丝孔通过螺纹连接，各个第一类支撑杆以同一中心轴对称分布；

6、第二类笼式支撑杆包括多个第二类支撑杆，第二类支撑杆的一端分别与光晶格光侧面上对应的定位丝孔通过螺纹连接，各个第二类支撑杆以同一中心轴对称分布。

7、如上所述第一反射镜架和第二反射镜架均包括内侧金属板和外侧金属板，内侧金属板和外侧金属板上均开设有同轴的通光孔，内侧金属板的通光孔为内螺纹通光孔，内侧金属板和外侧金属板之间通过弹簧连接，外侧金属板上开设有多个螺纹调节孔，调节螺钉的螺纹端拧入对应的螺纹调节孔中并与内侧金属板相抵。

8、如上所述第一反射镜架的内侧金属板和外侧金属板上均设置有用于第一类支撑杆贯穿的贯通孔，第一反射镜架的外侧金属板侧部开设有与贯通孔垂直连通的固定螺纹孔，顶紧螺钉的螺纹端拧入固定螺纹孔与第一类支撑杆相抵；第二反射镜架的内侧金属板和外侧金属板上均设置有用于第二类支撑杆贯穿的贯通孔，第二反射镜架的外侧金属板侧部开设有与贯通孔垂直连通的固定螺纹孔，顶紧螺钉的螺纹端拧入固定螺纹孔与第二类支撑杆相抵。

9、如上所述第一反射镜架的内侧金属板的内螺纹通光孔安装光纤接口法兰盘，光纤接口法兰盘中心设置有光纤跳线，第二反射镜架的内侧金属板的内螺纹通光孔安装第三金属套筒。

10、如上所述第一同轴安装板上设置有贯通孔，第一类支撑杆穿过第一同轴安装板上对应的贯通孔，第一同轴安装板侧部设置有与贯通孔垂直连通的固定螺纹孔，顶紧螺钉的螺纹端拧入固定螺纹孔并与第一类支撑杆相抵，第一同轴安装板上开设有通光孔，第一金属套筒一端可拆卸设置在第一同轴安装板上的通光孔。

11、如上所述第二同轴安装板上设置有贯通孔，第一类支撑杆穿过第二同轴安装板上对应的贯通孔，第二同轴安装板侧部设置有与贯通孔垂直连通的固定螺纹孔，顶紧螺钉的螺纹端拧入固定螺纹孔并与第一类支撑杆相抵，第二同轴安装板上开设有通光孔，第二金属套筒一端可拆卸设置在第二同轴安装板上的通光孔。

12、如上所述科学实验腔的中心、第一类笼式支撑杆的中心轴、第二类笼式支撑杆的中心轴、第一反射镜架的中心轴、第一同轴安装板的中心轴、第一金属套筒的中心轴、第二同轴安装板的中心轴、第二金属套筒的中心轴、第三金属套筒的中心轴、第二反射镜架的中心轴、汇聚透镜的中心轴、准直透镜的中心轴、凹面反射镜的中心轴、光纤跳线的中心轴位于同一直线。

13、如上所述的准直透镜和汇聚透镜表面镀有光晶格波长的增透膜，准直透镜和汇聚透镜为平凸镜或者消色差透镜，凹面反射镜的凹面镀有光晶格波长的高反膜。

14、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

15、对称性的科学实验腔使得原子云处于科学实验腔的中心位置，而光晶格光采用同轴笼式结构的输入方式，搭建光晶格初期，强跃迁的共振光与原子共振使得原子云从科学实验腔中心处逃逸，快速确定原子转载到光晶格中。通过入射光处反射镜架上的精密微调旋钮来优化光束通过原子云的中心位置，只需要在光晶格通光的方向上，滑动第一金属套筒和第二金属套筒，调整焦点和原子云的重合度即可，最终只要调节凹面反射镜处的第二反射镜架，使得反射光原样返回即可。采用同轴笼式结构，使用强跃迁的共振光作为导引光，缩短了光晶格的搭建时间。同时，只需要改变汇聚透镜的焦距或者滑动汇聚透镜的在第一类支撑杆上的相对位置，即可实现改变光晶格光焦点处束腰大小。每个光学元件都是同轴结构，具有稳定的固定方式，占用的空间小，结构稳定，有利于光晶格的小型化和工程化，可应用于可搬运的光晶格系统。