技术摘要：
为克服现有冷原子双能级探测系统难以实现小型化的缺陷，本发明提供一种紧凑型冷原子干涉信息获取装置。本发明中探测光发射组件中使用特殊设计的近梯形分光棱镜对探测光进行分束，压缩了探测光的光路长度，光路易于对准，光机结构紧凑，实现了装置的小型化，并具有高的  全部
背景技术：
高精度的冷原子干涉仪已经从实验室逐渐走向实际工程应用。在冷原子干涉仪 中，利用6束正交对射的稳频激光制备出冷原子团(冷原子数大于106量级，温度为μK量级) 作为冷原子干涉仪的工作介质，冷原子团经过Raman激光技术进行分束、偏转、合束后，再进 入以冷原子双能级探测技术为基础的冷原子干涉信息获取装置中得到原子干涉信息。这个 过程中，冷原子干涉信息获取装置的性能与冷原子干涉仪的性能直接相关。同时为了野外 现场应用的严苛要求，冷原子干涉仪要尽可能的小型化、集成化，还要具备高稳定性和高可 靠性。作为冷原子干涉仪的关键子系统，冷原子干涉信息获取装置在满足以上要求的同时 还要具备获得高信噪比冷原子干涉信息的能力。 以超冷87Rb原子为工作介质的冷原子干涉仪运行为例，87Rb原子团被激光冷却俘 获后竖直抛射，飞行过程中经微波选态、速度选择及与π/2-π-π/2序列的Raman激光脉冲作 用后，处在|52S1/2，F＝2，mF＝0>和|52S1/2，F＝1，mF＝0>的相干叠加态上。处于叠加状态的冷 原子团下落进入冷原子干涉信息获取区，通过双能级探测法提取出原子干涉信息。图1为双 能级探测法的原理示意图，冷原子团中处于态|52S1/2，F＝2，mF＝0>的原子被第一探测光驻 波场1(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F＝2>→|52P3/2，F′＝3>跃迁)所激发，跃迁到|52P3/2，F′ ＝3>的激发态上，然后自发辐射出共振荧光后回到|52S1/2，F＝2>态上，共振荧光是随机向 周围发射的，经第一荧光收集透镜组2收集并成像后被第一光电管探测器3收集并转化成光 电流信号。随后冷原子团继续下落经过一个吹除光行波场4(频率满足87Rb原子的|52S1/2，F ＝2>→|52P3/2，F′＝3>跃迁)，处于|52S1/2，F＝2>态上原子被全部吹除。冷原子团中将只剩下 处于|52S1/2，F＝1，mF＝0>的原子，该部分原子继续下落，进入到回泵光驻波场5(频率满足 87Rb原子的|52S1/2，F＝1>→|52P 23/2，F′＝2>跃迁)后，被抽运到|5 S1/2，F＝2>态上，然后进入 第二探测光驻波场6(频率与第一探测光驻波场1相同)，被激发至|52P3/2，F′＝3>态上，然后 通过自发辐射回到|52P3/2，F′＝2>态上，过程中所释放的共振荧光，经第二荧光收集透镜组 7收集并成像后被第二光电探测器8转化成光电流信号。在冷原子干涉信息的获取过程中， 为提高信噪比，就必须提高冷原子装置中荧光收集子系统的效率，为此荧光收集子系统中 通常采用大直径透镜或透镜组收集荧光，同时还要使透镜或透镜组尽量靠近冷原子与驻波 场相互作用的区域。这必然要求增大真空探测区的探测窗口尺寸以与之配合。这自然增大 了真空探测区的直径，与冷原子干涉仪的小型化要求矛盾。 另一方面，双能级探测过程中，两个能级探测中发出的荧光需要使用两个荧光收 集器分别收集。由于现有的探测装置中，两个能级的探测距离很接近，所以第一个能级探测 时发出的荧光信号会同时进入两个荧光收集器，使第二荧光收集器收集的荧光信号包含了 串扰信号，降低了系统测量结果的信噪比，这是影响冷原子干涉精度的一个较大的误差来 4 CN 111579099 A 说　明　书 2/8 页 源，且难以滤除。且荧光收集器采用的透镜或透镜组直径越大时这种串扰越大，导致的测量 误差越大。 此外，由于原子超精细能级结构对磁场十分敏感，整个冷原子探测过程中需要严 格屏蔽外界磁场及地磁场的影响。通常采用多层(至少两层)磁屏蔽桶将整个冷原子干涉仪 物理系统系统包覆起来，从而隔绝外部磁场的影响。由于磁屏蔽材料(通常采用玻莫合金) 密度较大，因此需要尽可能的缩小磁屏蔽桶的直径以达到减重目的，相应的冷原子干涉信 息获取装置的横向尺寸也要尽可能的小，以满足这一要求。这与冷原子干涉仪物理系统的 小型化要求矛盾。 整个探测系统中需要产生三个驻波场，一个行波场，现有系统通常会采用多个偏 振分束器与玻片组合进行光束分束，会造成安装调试的困难及可靠性的问题。同时驻波场 的调节通常采用可调节的反射镜镜架，但是可调节的弹性机械结构会带来可靠性和稳定性 方面的缺陷，无法满足现场使用要求。
技术实现要素：
为了克服现有冷原子双能级探测系统难以实现小型化的缺陷，本发明提供一种紧 凑型冷原子干涉信息获取装置。本发明使用特殊设计的近梯形棱镜对光束分光并进行方向 控制，光路调节简单，具备光强实时监测功能；采用特殊工作模式的冷原子荧光收集系统实 现了低串扰、高信噪比的冷原子干涉信息获取，装置的整体光机结构满足小型化、高可靠的 使用要求，可应用于如冷原子干涉重力仪/重力梯度仪、冷原子钟等多种基于冷原子技术的 精密测量设备中。 本发明的技术解决方案如下： 紧凑型冷原子干涉信息获取装置，包括真空探测区、探测光发射组件、回泵光组件 和荧光收集组件； 真空探测区的四个侧面依次记为A面、B面、C面和D面；A面、B面、C面和D面上分别设 置有A光窗、B光窗、C光窗和D光窗，所有光窗上均镀所通过光波长的增透膜； 探测光发射组件和回泵光组件分别安装在所述A面和C面上 其特殊之处在于： 所述探测光发射组件包括沿水平方向依次设置的第一安装面、第一矩形开口、近 梯形分光棱镜、第一偏振分束器、第一光强检测装置以及设置在第一偏振分束器的正下方 的第一光纤输入型扩束准直器；第一矩形开口的上部安装有第一λ/4波片，下部安装有第二 λ/4波片； 近梯形分光棱镜的上底面和下底面平行，两个等腰侧面与下底面之间的夹角均为 45°；下底面中部设有内凹的V型反射表面，下底面被所述内凹的V型反射表面分割为两个相 同的矩形表面；两个矩形表面均镀有所通过光波长的光学增透膜；两个等腰侧面、内凹的V 型反射表面均镀有所反射光波长的光学高反射膜； 近梯形分光棱镜的上、下底面均与所述第一安装面平行，下底面朝向所述第一矩 形开口，所述第一矩形开口对准所述A光窗。 进一步地，所述第一光纤输入型扩束准直器用于对输入的探测激光进行扩束准 直，将其转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束。 5 CN 111579099 A 说　明　书 3/8 页 进一步地，所述第一光纤输入型扩束准直器包括沿光输入方向依次设置且同光轴 的第一光纤输入耦合头、第一偏振棱镜、第一凹透镜、第一非球面镜、凹面为自由曲面的平 凹透镜和凸面为自由曲面的平凸透镜。 进一步地，回泵光组件包括沿水平方向依次设置的第二安装面、第二矩形开口、矩 形平面反射镜、第二偏振分束器和第二光强检测装置，以及设置在第二偏振分束器正下方 的第二光纤输入型扩束准直器；矩形平面反射镜的两个矩形表面均为光学镜面，其中一个 表面作为反光面，反光面在在冷原子团下落方向上分为三个区，两端两个区的表面镀所反 射光波长的高反射膜，用于将入射的探测光反射以形成第一探测光驻波场和第二探测光驻 波场，中间区不镀膜或者镀对通过光波长的增透膜，用于使回泵光通过；矩形平面反射镜的 上部设置有用于遮挡第一探测光驻波场下边沿一部分探测激光的挡光板；所述第二矩形开 口对准所述C光窗。 进一步地，第二光纤输入型扩束准直器用于对输入的回泵激光进行扩束准直，将 其转换为光斑内光强均一且横截面为矩形的线偏振平行光束。 进一步地，第二光纤输入型扩束准直器包括沿光输入方向依次设置且同光轴的第 二光纤输入耦合头、第二偏振棱镜、第二凹透镜、第二非球面镜、自由曲面透镜和自由曲面 透镜。 进一步地，荧光收集组件包括用于探测第一探测光驻波场产生的荧光的第一原子 能级探测组和用于探测第二探测光驻波场产生的荧光的第二原子能级探测组。 进一步地，第一原子能级探测组的工作模式为长开模式；第二原子能级探测组的 工作模式为周期性开-关模式；冷原子团下落至第二探测光驻波场上沿附近，第二原子能级 探测组开始工作。 进一步地，所述第一原子能级探测组由第一荧光收集器、第二荧光收集器和第一 信号处理电路构成，其输出信号同时输入所述第一信号处理电路，经求和后输出；第一荧光 收集器、第二荧光收集器分别安装在所述B面和D面，且其荧光收集窗口对准B光窗和D光窗 的上部； 所述第二原子能级探测组由第三荧光收集器、第四荧光收集器和第二信号处理电 路构成，其输出信号同时输入所述第二信号处理电路，经求和后输出；第三荧光收集器、第 四荧光收集器分别安装在所述B面和D面，且其荧光收集窗口对准B光窗和D光窗的下部； 第一荧光收集器、第二荧光收集器、第三荧光收集器、第四荧光收集器尺寸与结构 均相同。 进一步地，第一荧光收集器、第二荧光收集器的光轴共线；第三荧光收集器、第四 荧光收集器的光轴共线。 进一步地，单个荧光收集器包括镜筒以及设置在镜筒内且共光轴的透镜、非球面 透镜和光电管，其中透镜更靠近镜筒上的圆形通光开口。 本发明的技术效果在于： 1 .本发明中探测光发射组件中使用特殊设计的近梯形分光棱镜对探测光进行分 束，压缩了探测光的光路长度，光路易于对准，光机结构紧凑，实现了整个冷原子干涉信息 获取装置的小型化，并具有高的可靠性和稳定性。 2.本发明中光纤输入型扩束准直器由多个非球面镜构成，可将单模保偏光纤发出 6 CN 111579099 A 说　明　书 4/8 页 的圆锥形光束转换为横截面为矩形且截面内光强分布均一、偏振一致的平行光束，使光纤 输入的激光能量可以被充分利用，从而降低了对激光光源功率的要求；此外当光斑尺寸为 30mm×15mm时，整个扩束准直器的长度小于50mm，有利于整个系统的小型化。 3.本发明中荧光收集组件由结构和尺寸完全相同的四个荧光收集器构成，每两个 荧光收集器组成一组以收集原子处于某一个能级上所发出的荧光，该布置方案在保证荧光 收集系统探测效率的同时，可以使荧光收集组件采用小直径、短焦距的光学透镜或透镜组， 明显压缩了成像系统的长度，相应的使整个真空系统的荧光收集窗口横向尺寸显著缩小， 满足了设备小型化的要求。 4.本发明中第二组荧光收集器的第二原子能级探测组采用周期性开-关的间歇工 作方式，当冷原子团下落至接近第二探测光驻波场处时才通电工作，避免了由于第一能级 被探测时产生的荧光被第二原子能级探测组所接收而产生的信号串扰，使提取到的原子干 涉信息的信噪比大幅度提高，有利于提高冷原子干涉仪的测量精度。 5.本发明中探测光和回泵光均带有实时功率检测功能，满足可移动冷原子设备的 使用要求。 附图说明 图1是冷原子双能级探测的原理示意图。 图2是本发明提出的紧凑型冷原子干涉信息获取装置的结构示意图。 图3是本发明中的探测光发射组件结构示意图。 图4A是本发明中的近梯形分光棱镜的结构示意图。 图4B是本发明中的近梯形分光棱镜另一种优选方案的结构示意图。 图5是本发明中的回泵光组件结构示意图。 图6是本发明中的矩形平面反射镜的结构示意图。 图7是本发明中的探测光发射组件和回泵光组件光路关系示意图。 图8是本发明中的荧光收集组件工作原理示意图。 图9是本发明中的单个荧光收集器的结构示意图。 图10是本发明中的荧光收集组件工作时序示意图。 图1中附图标记说明： 1-第一探测光驻波场；2-第一荧光收集透镜组；3-第一光电管探测器；4-吹除光行 波场；5-回泵光驻波场；6-第二探测光驻波场；7-第二荧光收集透镜组；8-第二光电探测器； 图2-10中附图标记说明： 100-真空探测区； 200-探测光发射组件；201-第一安装面；202-第一矩形开口；203-近梯形分光棱 镜；203a-棱镜；204-第一偏振分束器；205-第一光强检测装置；206-第一λ/4波片；207-第二 λ/4波片；208-第一光纤输入型扩束准直器；208a-第一光纤输入耦合头；208b-第一偏振棱 镜；208c-第一凹透镜；208d-第一非球面镜；208e-凹面为自由曲面的平凹透镜；208f-凸面 为自由曲面的平凸透镜； 300-回泵光组件；301-第二安装面；302-第二矩形开口；303-矩形平面反射镜； 303A-挡光板；304-第二偏振分束器；305-第二光强检测装置；306-第二光纤输入型扩束准 7 CN 111579099 A 说　明　书 5/8 页 直器；306a-第二光纤输入耦合头；306b-第二偏振棱镜；306c-第二凹透镜；306d-第二非球 面镜；306e-自由曲面透镜；306f-自由曲面透镜； 400-荧光收集组件；401-第一荧光收集器；402-第二荧光收集器；403-第三荧光收 集器；404-第四荧光收集器；405、406-信号处理电路组成；410-圆形通光开口；411-透镜； 412-非球面透镜；413-光电管；414-镜筒； 501-第一探测光驻波场；502-吹除光行波场；503-回泵激光驻波场；504-第二探测 光驻波场。