一种大立体角荧光收集光学系统的制作方法

1.本发明属于冷原子技术领域，特别涉及荧光信号探测收集光学技术。


背景技术：

2.冷原子技术是通过操控原子量子态变化，实现原子物理特性研究、精密测量的技术，应用在量子通信，原子钟，原子重力仪，量子模拟等多个领域。冷原子精密测量结果以原子量子态分布形式表现，可采用特定激光激发不同量子态产生荧光辐射，通过获取荧光辐射强度获取测量结果。
3.通常冷原子装置需处于优于10-7
pa的超高真空环境中，用于隔绝杂质气体对测量干扰。为获取足够强度的荧光信号，需从真空环境内背景气体中捕获分散在空间的原子气体聚集成冷原子团。进而通过光学镜组聚焦于原子团位置获取荧光信号。
4.在激光激发原子团产生的荧光是以原子团为中心向全空间均匀辐射，即荧光分布空间角为4π。传统荧光收集方法是通过真空系统外的光学镜组对冷原子团成像收集荧光。收集荧光空间角取决于光学镜组的物方数值孔径。成像光学系统收集荧光空间角理论极限不超过2π(半空间范围)。而实际情况下，成像光学系统距离原子团距离不为0(位于真空系统外)，成像光学系统孔径有限。通常原子团荧光收集空间角不超过0.1π，对应光学镜组数值孔径约0.3。因此，目前原子团荧光收集有效信号仅占全部荧光的2.5％。所以，如何提升荧光收集比例，提高荧光探测信噪比，进而直接提升量子精密测量能是目前需要研究的课题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新的技术方案，通过设计大立体角荧光收集光学系统，来提升冷原子团荧光收集比例，进而提升量子精密测量探测信噪比。
6.本发明提出的具体方案如下：
7.一种大立体角荧光收集光学系统，包括
8.真空箱，所述真空箱内设置有集光镜，所述集光镜中开设有大孔径凹槽，所述凹槽的型面为抛物线型且满足y2＝4fx；所述集光镜上开设有与所述凹槽相通的上通孔、下通孔，所述上通孔、下通孔与所述凹槽的焦距f点正对应；所述上通孔处设置准直激光光源，所述下通孔处设置有反射镜；
9.荧光汇聚镜组，设置在所述真空箱外并与所述凹槽的开口正相对，所述荧光汇聚镜组用于汇聚所述凹槽反射的荧光；和
10.光电探测器，用于收集荧光汇聚镜组汇聚的荧光。
11.进一步的，所述真空箱的真空度不小于10-7
pa。
12.进一步的，所述真空箱由钛合金制造，所述真空箱上设置有荧光观测窗口。
13.进一步的，所述准直激光光源发出荧光激发光束a，所述荧光激发光束与所述反射镜的法线重合以反射为荧光激发光束b，所述荧光激发光束a与所述荧光激发光束b传输路
径重合且方向相对。
14.进一步的，所述集光镜由金属铝材料通过金刚石车床车一体车削成型。
15.进一步的，所述集光镜采用工程塑料模压制成型，且在所述凹槽的底部覆盖金属反射薄膜。
16.进一步的，所述反射镜为石英基材制成的圆形平面反射镜，在所述反射镜的表面镀有高反膜。
17.进一步的，所述荧光汇聚镜组为双胶合透镜。
18.采用本技术方案所达到的有益效果为：
19.本发明通过合理的结构布置，尤其是通过设置具有抛物线型型面的凹槽，能有效提升冷原子团荧光收集的立体角范围，从而提升探测信噪比。
附图说明
20.图1为本发明一种大立体角荧光收集系统的示意图。
21.图2为本发明实施例的集光镜型面示意图。
22.其中：10真空箱、20集光镜、21凹槽、22上通孔、23下通孔、30准直激光光源、40反射镜、50荧光汇聚镜组、60光电探测器、100冷原子团、200荧光光线。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
24.本实施提供了一种大立体角荧光收集光学系统，通过利用该荧光收集光学系统来提升冷原子团荧光收集的立体角范围，从而提升探测信噪比。
25.具体的，参见图1－图2，提出的大立体角荧光收集光学系统包括真空箱10，在真空箱10内设置有集光镜20、准直激光光源30和反射镜40；其中集光镜20中开设有大孔径凹槽21，该凹槽21的型面为抛物线型且满足y2＝4fx(f代表抛物线的焦距)；在集光镜20上开设有与凹槽21相通的上通孔22、下通孔23，这里的上通孔22、下通孔23与凹槽21的焦距f点正对应，(可以理解焦距f点正好处于上通孔22、下通孔23的中心连接线上)；准直激光光源30设置在上通孔22处，反射镜40设置在下通孔23处；准直激光光源30将发出荧光激发光束a，荧光激发光束a与反射镜40的法线重合以反射为荧光激发光束b，荧光激发光束a与荧光激发光束b传输路径重合且方向相对。
26.在真空箱10外并与凹槽21的开口正相对的位置处设置了荧光汇聚镜组50，荧光汇聚镜组50用于汇聚凹槽21反射的荧光；同时在荧光汇聚镜组50后还设置了光电探测器60，光电探测器60用于收集荧光汇聚镜组50汇聚的荧光。
27.在具体进行荧光收集的操作中，冷原子团100自由落体掉落到集光镜20中凹槽21的焦距f处时，准直激光光源30发出荧光激发光束a激发冷原子团100，同时荧光激发光束a将照射到反射镜40进行反射，这里的称反射激光为荧光激发光束b；荧光激发光束a和荧光激发光束b传输路径重合、方向相对，共同激发冷原子团100产生空间范围均匀辐射的荧光光线200；大立体角范围的荧光光线200经过凹槽21型面的偏转沿同一个大致方向传输出真空箱10，经过荧光汇聚镜组50汇聚至光电探测器60上，从而获得大立体角的荧光收集。
28.本方案中，真空箱10的真空度优于10-7
pa，为冷原子团100的形成和维持提供物理环境。同时，真空箱10由钛合金制造，在真空箱10上设置有荧光观测窗口。
29.本方案中，集光镜20由金属铝材料通过金刚石车床车一体车削成型；也可以采用工程塑料模压制成型，且在所述凹槽的底部覆盖金属反射薄膜。
30.本方案中，反射镜40为石英基材制成的圆形平面反射镜，在反射镜40的表面镀有高反膜。
31.本方案中，荧光汇聚镜组50为双胶合透镜。
32.下面以具体的实施例来对大立体角荧光收集光学系统的使用作说明。
33.待观察冷原子团100选用铷原子同位素rb
87
。通过磁光阱技术从真空箱10铷原子蒸汽中聚集冷原子团100。冷原子团100包含铷原子数目约1
×
107个。集光镜20设计为将冷原子团100产生的空间均匀分布荧光偏转为平行光束传输出真空箱10外。因此，集光镜20型面的曲线需为抛物线型，满足：
34.y2＝4fx
35.这里将抛物线凹槽21的焦距f设计为30mm，收集孔径角θ设计为120
°
，对应立体角ω
[0036][0037]
可以计算出集光镜20的通光半径，获得集光镜20的面形尺寸。
[0038]
准直激光光源30发出荧光激发光束a为高斯光束，直径10mm、波长780nm的准直激光束，对应铷原子跃迁能级。为使冷原子团100落入集光镜20，并使荧光激发光束a照射至冷原子团100，集光镜20在处的上下方加工的通孔(上通孔22、下通孔23)直径为12mm。
[0039]
荧光激发光束a通过集光镜20的通孔到达反射镜40。反射镜40选用标准25.4mm口径石英基材的圆形平面反射镜，表面镀780nm高反膜，反射率达到99％。荧光激发光束a经反射镜40产生荧光激发光束b，荧光激发光束b同样是高斯光束且直径为10mm、波长为780nm准直激光束。
[0040]
荧光汇聚镜组50选择八英尺双胶合透镜，通光口径大于200mm，有效焦距为500mm，与集光镜20的出射通光孔径匹配，光轴与荧光对准，从而将荧光汇聚至荧光汇聚镜组50的焦点处。光电探测器60选择si材料掺杂的可见光光电探测器，满足780nm荧光探测需求。
[0041]
本技术方案通过合理的结构布置，尤其是通过设置具有抛物线型型面的凹槽，能有效提升冷原子团荧光收集的立体角范围，从而提升探测信噪比。
[0042]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。