NIM5喷泉钟冷却光注入系统的设计和调校

激光冷却铯原子喷泉钟(以下简称喷泉钟)作为复现时间单位“秒”定义的基准装置,其研究在国际上得到了广泛重视[1-4],中国计量科学研究院研制的NIM4喷泉钟2004年实现了5×10-15系统不确定度[5-6],取代NIM3热束型铯原子时间频率基准,被正式批准为新一代复现“秒”定义的国家时间频率基准装置.为了比对需要,2004年中国计量科学研究院开始了第二台喷泉钟NIM5的研制工作.NIM5采用的是上下各3束冷却光斜入射的(111)物理布局[7],如图1b所示.其优点主要是:①微波作用区不再有激光通过,完全避免了光频移;②参与上抛的激光束由1对变为3对,极大地提高了上抛效率.从图1a可以看出,相对于(001)布局来说,(111)布局要求冷却光以一定角度相互正交的斜入射,并保证各光束在水平和垂直方向分解的合力为0,这样冷却光光路的装配与调节难度加大了.如果采用散立的光学元件与镜架来装配,其工作量非常大.更好的解决方案是分解功能,首先在磁光阱(MOT)区的设计加工时保证各斜入射轴线的角度关系,并通过研磨修正保证各斜入射端面与轴线的垂直;然后采用集成式的冷却光注入系统,将光纤传输过来的冷却光扩束、准直后,直接固定到各斜入射端面上,实现激光冷却.

1　冷却光注入系统的设计

NIM5钟的冷却光是通过保偏光纤从光学平台上引到MOT区的.在光学平台上,一个稳频窄线宽外腔半导体激光器(NewFocus TLB700)输出一部分作为探测光,馈入探测区;一部分作为种子激光注入锁定具有更高功率输出的从激光器(SDL5422-H).从激光器输出经声光调制器作频率和功率调整后耦合进入光纤. 6束(向上3束,向下3束)冷却光通过6根保偏光纤引到MOT区,需要对每束冷却光的偏振态、准直性、垂直性及均匀性作出合乎要求的处理[8],这需要用到λ/2波片、λ/4波片、偏振分光镜、透镜以及光纤适配器.如采用与NIM4钟同样的分立元件和镜架,一方面,其安装和调整难度大,严格要求的角度难以保证;另一方面,由于微波作用过程中对磁场的严格要求,随着NIM5选态微波腔的下移,为了减少Majorana跃迁,对于MOT区也提出了无磁的严格要求.市场上销售的镜架由于精密螺纹的存在,都或多或少的具有磁性,全部重新定做加工成本太高,工艺质量也不能保证.因此,作者提出NIM5采用冷却光准直套筒的方案,将上述光学器件集成在一个铝质套筒上,实现对冷却光的扩束及特性的控制.

图2是冷却光注入系统的设计原理图.冷却光从光纤输出后,可以看成是一个以光纤数值孔径为空间立体角发散的点光源.冷却光依次通过一个10 mm×10 mm×10 mm的偏振分光镜(PBS),一个通光孔径为15 mm的λ/2波片,一个15 mm×15 mm×15 mm的偏振分光镜(PBS),一个通光孔径为15 mm的λ/4波片和一个焦距为100 mm,通光孔径为26 mm双胶合透镜.其中第一个偏振分光镜的透射光光轴调整到与保偏光纤输出激光偏振方向一致,在保证绝大部分光功率通过的同时,减少保偏光纤偏振态扰动对冷却光功率的影响[9].λ/2波片和第二个偏振分光镜起到调整冷却光功率的作用.λ/4波片则是将进行功率控制后的线偏振光转换为冷却原子所需的σ+、σ-圆偏振光;透镜的作用是形成准直且均匀的直径为26 mm的冷却光束.