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

圖1：具有橢圓光束輪廓的光纖準(zhǔn)直器 

近幾十年來(lái)，人們對(duì)超冷原子及其獨(dú)特特征的研究興趣一直在不斷增長(zhǎng)^[1]。雖然一開(kāi)始冷卻過(guò)程是主要的挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在這些超冷系統(tǒng)的非凡特性（例如玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)）激勵(lì)著世界各地的研究人員比以往更加仔細(xì)地研究。光纖設(shè)備已被證明是這些實(shí)驗(yàn)的有力工具，可提高穩(wěn)定性和便利性。不同量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)準(zhǔn)直等各種要求的多樣性在專門設(shè)計(jì)的光纖準(zhǔn)直器的數(shù)量上有所體現(xiàn)（圖1）。這些包括集成四分之一波片的光纖準(zhǔn)直器，用于直接產(chǎn)生圓偏振光或變形光學(xué)器件以產(chǎn)生橢圓光束。

冷卻過(guò)程和實(shí)驗(yàn)研究本身都高度依賴于光對(duì)原子的成功操縱。這對(duì)所用設(shè)備的質(zhì)量和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。一種廣泛使用的有效冷卻和捕獲方法是磁光阱(MOT)。MOT需要高度頻率穩(wěn)定的窄寬度激光輻射從多達(dá)六個(gè)不同的方向發(fā)射到真空室中。MOT有多種類型，例如銣MOT（工作波長(zhǎng)780nm）、鉀（767nm）或鍶。

光束傳輸可通過(guò)使用光纖端口簇來(lái)實(shí)現(xiàn)^{[2, 3]}，光纖端口簇是一種緊湊的光機(jī)單元，可將來(lái)自一個(gè)或多個(gè)PM保偏光纖（偏振消光比PER>26dB，波長(zhǎng)為780nm）的輻射分離為一個(gè)或多個(gè)輸出保偏光纖，效率高且分光比可變^[4]。光纖端口簇通常使用級(jí)聯(lián)旋轉(zhuǎn)半波片與偏振分束器結(jié)合作為輻射分離機(jī)制。

保偏光纖光學(xué)器件充當(dāng)激光器與實(shí)驗(yàn)中非常敏感的環(huán)境之間的明確接口。物理分離可實(shí)現(xiàn)機(jī)械和熱解耦，避免對(duì)激光源和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生任何負(fù)面的相互影響。

離開(kāi)保偏單模光纖后，發(fā)散的高斯光束被準(zhǔn)直并發(fā)射到真空室中。最佳準(zhǔn)直焦距由實(shí)驗(yàn)所需的光束直徑?jīng)Q定，可以根據(jù)標(biāo)稱NA（通常由制造商定義為高斯光束的1-5%級(jí)別）計(jì)算，或者通過(guò)使用光纖的有效光纖NAe2^[5]和目標(biāo)光束直徑（均定義為13.5%或1/e2級(jí)別）以更高的精度計(jì)算。焦距從2.7mm到200mm。例如，當(dāng)使用NAe2 0.09（或標(biāo)稱NA 0.11）的光纖時(shí)，可以產(chǎn)生從0.5mm到36mm的光束直徑。集成傾斜機(jī)制可使光束軸與光軸對(duì)齊，避免因光束被剪斷而引起的衍射和準(zhǔn)直光束的漸暈。如果需要，準(zhǔn)直器可以由非磁性鈦制成。

集成四分之一波片的光纖準(zhǔn)直器

可以通過(guò)使用直接集成四分之一波片的光纖準(zhǔn)直器來(lái)提供磁光阱中冷卻和捕獲機(jī)制所需的圓偏振輻射（圖2）。

圖2：集成四分之一波片的光纖準(zhǔn)直器。使用特殊工具旋轉(zhuǎn)四分之一波片，

可以產(chǎn)生右旋和左旋圓偏振。旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于龐加萊球上的 8 字形。

延遲板集成在發(fā)散光束中，可以相對(duì)于線性輸入偏振旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生右旋和左旋圓偏振。

例如，可以使用偏振分析儀^[6]分析旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的偏振狀態(tài)，該分析儀連續(xù)將當(dāng)前的偏振狀態(tài)映射到龐加萊球上。在此表示中，線性偏振狀態(tài)位于赤道上，而圓偏振光位于兩極。

如圖2所示，四分之一波片的完整旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于龐加萊球上的8字形。在極點(diǎn)處，產(chǎn)生圓偏振光，其中右旋圓偏振位于北極，左旋偏振位于南極。如果光學(xué)器件的實(shí)際延遲偏離所需值，則極值不會(huì)達(dá)到極點(diǎn)。

光纖準(zhǔn)直器中使用的延遲光學(xué)器件的特性對(duì)于結(jié)果偏振的質(zhì)量起著重要作用。可能的誤差源包括溫度變化、不同的入射角以及波長(zhǎng)變化。零階、低階、多階或復(fù)合零階波片都可用，它們對(duì)這些誤差源表現(xiàn)出不同的敏感性。

延遲隨波長(zhǎng)變化以及延遲隨溫度變化均與波片本身的總延遲成正比。因此，與多階波片（延遲>1）相比，真零階、復(fù)合零階或低階波片通常對(duì)溫度或波長(zhǎng)變化不太敏感。

此外，真正的零級(jí)波片通常對(duì)入射角的變化最不敏感。對(duì)于放置在發(fā)散光束中的四分之一波片，該光束從標(biāo)稱NA為0.11的光纖中射出，入射角（5%級(jí)）范圍為±6.2°。對(duì)于如此小的角度，延遲隨入射角的變化很小，通?？梢院雎曰蜻M(jìn)行校正。

二向色光纖準(zhǔn)直器

一些 MOT（例如鍶MOT）采用多種輸入波長(zhǎng)進(jìn)行操作。如果所需的波長(zhǎng)差太大，以至于輻射無(wú)法通過(guò)單根PM光纖傳輸，則使用二向色光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行準(zhǔn)直。

光學(xué)方案（圖3）顯示了兩個(gè)輸入激光光束耦合器，它們使輸入光束準(zhǔn)直，二向色光束組合和單個(gè)準(zhǔn)直光束的擴(kuò)展。即使對(duì)于這些準(zhǔn)直器，也可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)亩蛏姆种徊ㄆ瑏?lái)產(chǎn)生圓偏振光束，這些波片可同時(shí)為兩個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生圓偏振光束。

圖3：二向色光纖準(zhǔn)直器。兩束輸入光束被準(zhǔn)直，然后使用二向色光束組合器

進(jìn)行組合，最后擴(kuò)展到所需的光束直徑。

橢圓光纖準(zhǔn)直器

在偶極阱的特殊情況下，需要具有橢圓形橫截面的激光束。這是通過(guò)帶有集成變形光束擴(kuò)展器的光纖準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)的，可產(chǎn)生橢圓形縱橫比高達(dá)3:1的光束，見(jiàn)圖4。

圖4：光纖準(zhǔn)直器集成了變形光束整形光學(xué)元件，可產(chǎn)生具有橢圓形橫截面的

準(zhǔn)直高斯光束。這些光纖準(zhǔn)直器用于偶極阱。

在這里，光束首先被準(zhǔn)直，然后使用正負(fù)柱面透鏡擴(kuò)展并重新準(zhǔn)直一個(gè)光束軸。最后使用望遠(yuǎn)鏡將光束擴(kuò)展到所需值。如果需要，也可以將四分之一波片集成到這些光纖準(zhǔn)直器中。

結(jié)論

使用光纖可以顯著提高測(cè)量裝置的穩(wěn)定性和便利性。對(duì)于MOT，可以使用光纖端口集群（一種緊湊而穩(wěn)定的模塊化單元）傳輸所需的不同光束，該單元將輻射分成多個(gè)保偏光纖。

為了滿足不同實(shí)驗(yàn)的各種不同要求和高要求，專門設(shè)計(jì)了各種各樣的光纖準(zhǔn)直器，包括帶有集成四分之一波片的準(zhǔn)直器、二向色準(zhǔn)直器或產(chǎn)生橢圓光束輪廓的準(zhǔn)直器。

參考

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

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

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

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