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

圖1：具有橢圓光束輪廓的光纖準直器 

近幾十年來，人們對超冷原子及其獨特特征的研究興趣一直在不斷增長^[1]。雖然一開始冷卻過程是主要的挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在這些超冷系統(tǒng)的非凡特性（例如玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)）激勵著世界各地的研究人員比以往更加仔細地研究。光纖設(shè)備已被證明是這些實驗的有力工具，可提高穩(wěn)定性和便利性。不同量子光學實驗對準直等各種要求的多樣性在專門設(shè)計的光纖準直器的數(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直器，用于直接產(chǎn)生圓偏振光或變形光學器件以產(chǎn)生橢圓光束。

冷卻過程和實驗研究本身都高度依賴于光對原子的成功操縱。這對所用設(shè)備的質(zhì)量和穩(wěn)定性提出了嚴格的要求。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六個不同的方向發(fā)射到真空室中。MOT有多種類型，例如銣MOT（工作波長780nm）、鉀（767nm）或鍶。

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

保偏光纖光學器件充當激光器與實驗中非常敏感的環(huán)境之間的明確接口。物理分離可實現(xiàn)機械和熱解耦，避免對激光源和實驗產(chǎn)生任何負面的相互影響。

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

集成四分之一波片的光纖準直器

可以通過使用直接集成四分之一波片的光纖準直器來提供磁光阱中冷卻和捕獲機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)過程中產(chǎn)生的偏振狀態(tài)，該分析儀連續(xù)將當前的偏振狀態(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)對應(yīng)于龐加萊球上的8字形。在極點處，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。如果光學器件的實際延遲偏離所需值，則極值不會達到極點。

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

延遲隨波長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、復合零階或低階波片通常對溫度或波長變化不太敏感。

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

二向色光纖準直器

一些 MOT（例如鍶MOT）采用多種輸入波長進行操作。如果所需的波長差太大，以至于輻射無法通過單根PM光纖傳輸，則使用二向色光纖準直器進行準直。

光學方案（圖3）顯示了兩個輸入激光光束耦合器，它們使輸入光束準直，二向色光束組合和單個準直光束的擴展。即使對于這些準直器，也可以通過使用適當?shù)亩蛏姆种徊ㄆ瑏懋a(chǎn)生圓偏振光束，這些波片可同時為兩個波長產(chǎn)生圓偏振光束。

圖3：二向色光纖準直器。兩束輸入光束被準直，然后使用二向色光束組合器

進行組合，最后擴展到所需的光束直徑。

橢圓光纖準直器

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

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

準直高斯光束。這些光纖準直器用于偶極阱。

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

結(jié)論

使用光纖可以顯著提高測量裝置的穩(wěn)定性和便利性。對于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保偏光纖。

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

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