一种高精度拉曼光束平行度调节装置

本发明属于冷原子物理邻域，尤其涉及一种高精度拉曼光束平行度调节装置。

背景技术：

1、冷原子物理是一门前沿领域，它涉及到将原子或分子冷却到极低温度，并对其进行精确操控以研究量子现象。这一领域的研究不仅对于基础物理学有着重要意义，同时也为量子计算、量子通信和精密测量等领域提供了关键的技术支持。

2、随着激光冷却和操控技术的进步，基于双光子受激拉曼跃迁技术实现的原子干涉仪得到快速发展。用以操控原子波包分束与合束的双光子拉曼脉冲由一对波矢相反，且具有特定偏振态组合的光波组成，其频率差与所用碱金属原子波源的两基态能级差相等，通过精细控制拉曼脉冲的频率和持续时间可以使得原子处于看加态或分离态。当原子受到横向拉曼光作用发生能态转换的同时，可以在横向上改变的动量，其中k1和k2分别为两束相向传播的光波矢。在原子团飞行过程中，在不同位置作用多束拉曼脉冲，可以使原子波包沿两条路径运动并最终会合，从而形成具有一定面积的干涉环路。不同的原子波包就会历经不同的演化路径获得不同的位相，最终形成干涉条纹，从而得到类似于光学干涉仪的原子干涉仪。通过对原子干涉条纹位相的精密测量，就可以反演出物质波包在传输过程中由于路径不同而携带的外场信息，显示出所照射区域的分子性质。

3、平行的拉曼光被广泛应用于原子干涉仪中，因为它可以精确地调控原子的波函数相位差，从而影响原子的行为。通过精确调控平行拉曼光的参数，研究人员可以实现对原子的量子态的精确操作，例如实现量子比特的操控、观测量子相干现象以及研究量子态之间的相互作用。这些研究不仅对于理论物理的发展具有重要意义，同时也为量子信息处理和量子技术的发展提供了关键支持。

4、拉曼光照射原子团时，原子感受到与拉曼光有效波矢方向一致的反冲动量的作用，如果多束拉曼光之间有效波矢的平行度有偏差，由于动量守恒，最后一个拉曼脉冲作用后两条干涉路径不闭合。根据德布罗意假设，当两条于涉路径交会时的距离小于波源的相干长度时，该物质波干涉仪能够发生干涉。为满足以上条件，需要调节多束拉曼光之问的平行度，使其夹角小于特定允许角，且随干涉时间的增加，该允许角越小。对于通常原子干涉陀螺仪，该允许角一般在μrad量级。

5、在实际操作中，精确控制平行拉曼光的参数对于相关工作人员来说是一项具有挑战性的任务。例如，要求两束拉曼光的平行度误差尽可能小，以确保光斑位置的准确性；同时，两束拉曼光的距离与原子波函数相位差的相对误差也需要控制在极小的范围内，以保证实验结果的精确性和可重复性。

6、在现有的授权公告号为cn113959426 a的发明中公布了一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置及方法，该装置包括拉曼光准直器、二分之一波片、可变光阑、偏振分光棱镜、45°反射镜、拉曼光反射棱镜、偏振片、衰减片、聚焦透镜、ccd及显示器。该发明用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置及调节方法通过使用一个顶角为90°的拉曼光反射棱镜对两束空间分离拉曼光进行反射，从根本上提高了两束拉曼光之间的平行度，通过观察光学干涉条纹宽度变化进一步实现两束拉曼光之间有效波矢的平行度的精细调节，但该装置存在以下明显不足：第一，该装置无法灵活调节平行光束间隔距离；第二，其中使用的原子干涉陀螺仪真空腔的制造和维护成本较高，限制了该技术的广泛应用；第三，该发明在使用环境条件方面也提出了一定的要求，由于原子干涉陀螺仪对外部干扰的敏感性，条纹显示需要在相对稳定的环境条件下进行操作，例如控制温度、振动和磁场等因素，这使得在移动平台或恶劣环境下使用该发明变得困难，其可搬运性和灵活性方面存在一定的局限性，这限制了其在实地或需要临时部署的场景中的灵活性，从而限制了其应用范围。

7、因此，为了实现原子干涉仪中两束拉曼光之间有效波矢的平行度的精细调节，解决原子干涉仪器对拉曼光平行度要求较高的问题，亟需在现有原子干涉陀螺仪拉曼光束平行度调节装置的基础上提高其应用灵活性和使用范围，需要一种结构紧凑、造价低、可搬运且性能可靠的新型原子干涉陀螺仪拉曼光束平行度调节装置。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种高精度拉曼光束平行度调节装置，包含光路准直单元、分束偏振单元和反射镜单元；

2、光路准直单元包含一个垂直朝下的激光准直头，激光准直头可向下射出激光；激光准直头底部设有压板，所述压板底部设有准直头支架；所述准直头支架通过第一准直头调节螺丝和第二准直头调节螺丝连接下方的长方形的支撑平板；定义支撑平板两条长边的延伸方向为左右方向，水平垂直于左右方向的为前后方向；

3、光束偏振单元包含位于支撑平板底部的第一光束调节背板，第一光束调节背板从上至下沿激光的轨迹依次固定有第一二分之一玻片、第一分束器、第一偏振分束器架、第二偏振分束器架、第二偏振分束器和底部反射镜，底部反射镜下端通过第三准直头调节螺丝和第四准直头调节螺丝连接光束底板；第一偏振分束器和第二偏振分束器均包含两个互相垂直且涂有特殊光学涂层的平面玻璃板，可将入射光分成两个偏振光束；第二偏振分束器右侧设有连接第二分束器架的第二二分之一玻片；第一二分之一玻片和第二二分之一玻片可以用来调节第一偏振分束器和第二偏振分束器的分光比，当激光通过第一二分之一玻片或第二二分之一玻片时，激光会被分成两个互相垂直的偏振光束，所述偏振光束的强度可以通过旋转一二分之一玻片或第二二分之一玻片调节；

4、反射镜单元包含设于支撑平板右端下表面的第二光束调节背板；第二光束调节背板的左侧自上而下依次设有向左上方延伸的第一反射镜架和向左下方延伸的第二反射镜架；第一反射镜架通过第一反射镜调节螺丝和第二反射镜调节螺丝连接有第一反射镜，第二反射镜架通过第三反射镜调节螺丝和第四反射镜调节螺丝连接有第二反射镜。

5、更具体的，所述第一光束调节背板设有上下方向的第一滑槽和第二滑槽，第一滑槽内穿设有第一左偏振调节螺丝和第二左偏振调节螺丝，第二滑槽内穿设有第一右偏振调节螺丝和第二右偏振调节螺丝；第一偏振分束器架连接第一左偏振调节螺丝和第一右偏振调节螺丝；第二偏振分束器架连接第二左偏振调节螺丝和第二右偏振调节螺丝。

6、更具体的，所述第二光束调节背板设有第三滑槽、第四滑槽、第五滑槽和第六滑槽；第三滑槽穿设有第一反射调节螺丝，第四滑槽穿设有第二反射调节螺丝，第五滑槽内穿设有第三反射调节螺丝，第六滑槽内穿设有第四反射调节螺丝；所述第一反射镜架连接第一反射调节螺丝和第二反射调节螺丝；第二反射镜架连接第三反射调节螺丝和第四反射调节螺丝。

7、更具体的，所述第一反射镜架和第一反射镜之间设有弹簧，所述第二反射镜架和第二反射镜之间设有弹簧。

8、本发明的工作步骤包括：

9、1.激光准直头向下射出激光，激光通过第一二分玻片射向第一偏振分束器，并分为向左直射的第一偏振光束和向右直射的第二偏振光束，第二偏振光束依次被第一反射镜和第二反射镜的反射，通过第二二分之一玻片射向第二偏振分束器；第二偏振光束经过第二偏振分束器被分为向左直射的第三偏振光束和向下直射的第四偏振光束。

10、2.改变装置与光束投射的平面的间距，此时双拉曼光投射点的间距发生变化，调节第一反射调节螺丝、第二反射调节螺丝、第三反射调节螺丝和第四反射调节螺丝调整第一二分之一玻片和第二二分之一玻片的上下位置，进而使装置移位后两束拉曼光的距离始终保持不变。

11、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：不依赖源自干涉仪内部系统进行调试，降低了仪器复杂性，减轻了仪器建设和维护成本，提高了仪器的适用范围；增加了用于固定偏振分束器和反射镜的滑槽设计，可以调节平行拉曼光束间距，更具灵活性。