使用特别开发的光纤准直器来冷却和捕获原子

作者：Anja Krischke, Michael Schulz, Christian Knothe, Ulrich Oechsner

图1：具有椭圆光束轮廓的光纤准直器 

近几十年来，人们对超冷原子及其独特特征的研究兴趣一直在不断增长^[1]。虽然一开始冷却过程是主要的挑战，但现在这些超冷系统的非凡特性（例如玻色-爱因斯坦凝聚态）激励着世界各地的研究人员比以往更加仔细地研究。光纤设备已被证明是这些实验的有力工具，可提高稳定性和便利性。不同量子光学实验对准直等各种要求的多样性在专门设计的光纤准直器的数量上有所体现（图1）。这些包括集成四分之一波片的光纤准直器，用于直接产生圆偏振光或变形光学器件以产生椭圆光束。

冷却过程和实验研究本身都高度依赖于光对原子的成功操纵。这对所用设备的质量和稳定性提出了严格的要求。一种广泛使用的有效冷却和捕获方法是磁光阱(MOT)。MOT需要高度频率稳定的窄宽度激光辐射从多达六个不同的方向发射到真空室中。MOT有多种类型，例如铷MOT（工作波长780nm）、钾（767nm）或锶。

光束传输可通过使用光纤端口簇来实现^{[2, 3]}，光纤端口簇是一种紧凑的光机单元，可将来自一个或多个PM保偏光纤（偏振消光比PER>26dB，波长为780nm）的辐射分离为一个或多个输出保偏光纤，效率高且分光比可变^[4]。光纤端口簇通常使用级联旋转半波片与偏振分束器结合作为辐射分离机制。

保偏光纤光学器件充当激光器与实验中非常敏感的环境之间的明确接口。物理分离可实现机械和热解耦，避免对激光源和实验产生任何负面的相互影响。

离开保偏单模光纤后，发散的高斯光束被准直并发射到真空室中。最佳准直焦距由实验所需的光束直径决定，可以根据标称NA（通常由制造商定义为高斯光束的1-5%级别）计算，或者通过使用光纤的有效光纤NAe2^[5]和目标光束直径（均定义为13.5%或1/e2级别）以更高的精度计算。焦距从2.7mm到200mm。例如，当使用NAe2 0.09（或标称NA 0.11）的光纤时，可以产生从0.5mm到36mm的光束直径。集成倾斜机制可使光束轴与光轴对齐，避免因光束被剪断而引起的衍射和准直光束的渐晕。如果需要，准直器可以由非磁性钛制成。

集成四分之一波片的光纤准直器

可以通过使用直接集成四分之一波片的光纤准直器来提供磁光阱中冷却和捕获机制所需的圆偏振辐射（图2）。

图2：集成四分之一波片的光纤准直器。使用特殊工具旋转四分之一波片，

可以产生右旋和左旋圆偏振。旋转对应于庞加莱球上的 8 字形。

延迟板集成在发散光束中，可以相对于线性输入偏振旋转，产生右旋和左旋圆偏振。

例如，可以使用偏振分析仪^[6]分析旋转过程中产生的偏振状态，该分析仪连续将当前的偏振状态映射到庞加莱球上。在此表示中，线性偏振状态位于赤道上，而圆偏振光位于两极。

如图2所示，四分之一波片的完整旋转对应于庞加莱球上的8字形。在极点处，产生圆偏振光，其中右旋圆偏振位于北极，左旋偏振位于南极。如果光学器件的实际延迟偏离所需值，则极值不会达到极点。

光纤准直器中使用的延迟光学器件的特性对于结果偏振的质量起着重要作用。可能的误差源包括温度变化、不同的入射角以及波长变化。零阶、低阶、多阶或复合零阶波片都可用，它们对这些误差源表现出不同的敏感性。

延迟随波长变化以及延迟随温度变化均与波片本身的总延迟成正比。因此，与多阶波片（延迟>1）相比，真零阶、复合零阶或低阶波片通常对温度或波长变化不太敏感。

此外，真正的零级波片通常对入射角的变化最不敏感。对于放置在发散光束中的四分之一波片，该光束从标称NA为0.11的光纤中射出，入射角（5%级）范围为±6.2°。对于如此小的角度，延迟随入射角的变化很小，通常可以忽略或进行校正。

二向色光纤准直器

一些 MOT（例如锶MOT）采用多种输入波长进行操作。如果所需的波长差太大，以至于辐射无法通过单根PM光纤传输，则使用二向色光纤准直器进行准直。

光学方案（图3）显示了两个输入激光光束耦合器，它们使输入光束准直，二向色光束组合和单个准直光束的扩展。即使对于这些准直器，也可以通过使用适当的二向色四分之一波片来产生圆偏振光束，这些波片可同时为两个波长产生圆偏振光束。

图3：二向色光纤准直器。两束输入光束被准直，然后使用二向色光束组合器

进行组合，最后扩展到所需的光束直径。

椭圆光纤准直器

在偶极阱的特殊情况下，需要具有椭圆形横截面的激光束。这是通过带有集成变形光束扩展器的光纤准直器实现的，可产生椭圆形纵横比高达3:1的光束，见图4。

图4：光纤准直器集成了变形光束整形光学元件，可产生具有椭圆形横截面的

准直高斯光束。这些光纤准直器用于偶极阱。

在这里，光束首先被准直，然后使用正负柱面透镜扩展并重新准直一个光束轴。最后使用望远镜将光束扩展到所需值。如果需要，也可以将四分之一波片集成到这些光纤准直器中。

结论

使用光纤可以显著提高测量装置的稳定性和便利性。对于MOT，可以使用光纤端口集群（一种紧凑而稳定的模块化单元）传输所需的不同光束，该单元将辐射分成多个保偏光纤。

为了满足不同实验的各种不同要求和高要求，专门设计了各种各样的光纤准直器，包括带有集成四分之一波片的准直器、二向色准直器或产生椭圆光束轮廓的准直器。

参考

[1] W. Ketterle - Nobel Lecture: When Atoms Behave as Waves: Bose-Einstein Condensation and the Atom Laser“. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2013. Web. 9 Mar 2014. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/ketterle-lecture.html>

[2] G. Varoquaux et al. I.C.E., An ultra-cold atom source for long-baseline interferometric inertial sensors in reduced gravity, arXiv: 0705.2922 (2007)

[3] T. Könemann et al., A freely falling magneto-optical trap drop tower experiment, Applied Physics B: Lasers and Optics 89 (4), 431 (2007)

[4] Schäfter+Kirchhoff GmbH, Optomechanics for demanding fiber optic applications, https://www.sukhamburg.com/support/technotes/fiberoptics/multicube/art_cluster.html

[5] Schäfter+Kirchhoff GmbH, Fiber Coupling to PolarizationMaintaining Fibers and Collimation, https://www.sukhamburg.com/support/technotes/fiberoptics/coupling/couplingsm/art_fibercouplingnae2.html

[6] Schäfter+Kirchhoff GmbH, Polarization Analyzer for fiber optics and free beam applications, https://www.sukhamburg.com/support/technotes/fiberoptics/SK010PA/art_poarizationanalyzer.html