阅读说明：本技术 双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置 (Double-beam input laser cooling atom three-dimensional magneto-optical trap device ) 是由 贾森 王先华 蔡勇 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：为克服现有磁光阱的光路系统易受外界环境影响使产生的冷原子有大幅度随机抖动,以及虽然减小了光纤因素导致的冷原子参数随机抖动但却引入了额外误差的缺陷,本发明提供一种双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置,设计了独特的三维MOT光路传输拓扑,将原来需要的六根保偏光纤缩减为两根,极大地消除了入射激光偏振度不稳定和光强起伏对产生的冷原子质量的影响；利用激光光束的偏振特性,通过多次光束分束与反射,在仅有两路输入光的情况下实现了用于原子冷却的六束激光的功率、偏振的独立调节,特别是能使两两对射的六束光在会聚点的功率调节至严格相等,大幅度降低了装置工作过程中由于六束光功率起伏步调不一致所产生的影响。(In order to overcome the defects that the light path system of the existing magneto-optical trap is easily influenced by the external environment, so that the generated cold atoms have large-amplitude random jitter, and extra errors are introduced although the random jitter of cold atom parameters caused by optical fiber factors is reduced, the invention provides a laser-cooled atom three-dimensional magneto-optical trap device with double-beam input, which designs a unique three-dimensional MOT light path transmission topology, reduces the originally required six polarization maintaining optical fibers into two, and greatly eliminates the influence of unstable polarization degree and light intensity fluctuation of incident laser on the quality of the generated cold atoms; by utilizing the polarization characteristic of the laser beam, the power and polarization of six beams of laser for atom cooling are independently adjusted under the condition of only two paths of input light by splitting and reflecting the laser beam for multiple times, particularly the power of six beams of light which are emitted in pairs and are opposite to each other at a convergence point is adjusted to be strictly equal, and the influence caused by inconsistent fluctuation and pace of the power of the six beams of light in the working process of the device is greatly reduced.)

双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置

技术领域

本发明涉及激光冷却原子，特别涉及一种双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置。

背景技术

随着技术的发展，以激光冷却原子技术为基础的冷原子干涉仪、冷原子钟等已经由原理验证阶段转向工程应用阶段，开始逐步应用于可搬运、可移动的科研或工程平台，如应用于航空、航天、航海领域。为满足以上恶劣环境条件下的实际应用，冷原子仪器设备要尽可能的小型化、轻量化、集成化，同时尤其要具备高稳定性和高可靠性。因此，激光冷却原子装置需要进行工程化以实现上述目标。

激光冷却囚禁原子的工作原理是在真空腔内用磁场和激光共同作用形成磁光阱(MOT)，或只利用激光作用在真空腔内形成全光学阱，利用与原子跃迁能级共振的单频激光与真空腔内原子气体相互作用，使原子逐步冷却至超低温度。典型的磁光阱具有如图1所示的结构，为了产生冷原子团，需要向真空腔内部输入六束功率、频率相等的大孔径(通常>15mm)的准直圆偏振激光束。目前六路激光均采用保偏光纤进行传输，再经过准直扩束后进入MOT真空腔的办法，由于保偏光纤的偏振保持性能容易受到外界温度变化、气流扰动等因素的影响，使得各光纤中传输的激光偏振变化不一致，造成六束激光之间的功率变化不同步、幅度变化差异大、进而使产生的冷原子数量和温度均不稳定，有大幅度的随机抖动。这种情况直接影响了冷原子型仪器的测量稳定性和精度指标，是限制冷原子器件走向工程化应用的一个主要的因素。此外，为了使六路激光保持良好的正交性，传统激光冷却原子技术中通常采用可调节的光纤入射准直系统，可调节的弹性机械结构会带来可靠性和稳定性方面的显著缺陷，而传统激光冷却原子技术中六束光必然需要六个可调节的光纤入射准直系统，进一步放大了这种缺陷，因而无法满足冷原子装置工程化应用所要通过的力学振动、冲击试验和热环模试验，也无法适应各种恶劣环境。因此，新型的激光冷却原子系统需要根据工程应用的要求对光机系统进行大幅度的简化设计，并采用航空、航天级的光机元器件装配工艺，提高整个系统的可靠性和稳定性。

申请号为201410578787.X的专利文献公开了一种“折叠光路激光冷却原子装置”，将传统的激光冷却磁光阱所需的六根输入单模保偏光纤减少为两根，减小了由于光纤因素所导致的冷原子参数随机抖动，但该方式中两路激中的每一路光均通过多次反射的方式进入充满热原子蒸汽的MOT真空腔对热原子进行冷却，因而激光束每次经过冷原子团后其能量均被吸收一部分，造成在该方向上对射的两束激光功率不相等，三个方向两两对射的光束功率均不相等。该装置进行冷原子团上抛或下落时，由于各个方向的功率不等使冷原子团受力不相等，因此原子飞行轨迹不能严格垂直上抛或下落，进而在冷原子装置的测量结果中引入额外误差，当MOT中热原子蒸汽密度高时这种效应将更加显著。

发明内容

为了克服上述现有磁光阱的光路系统易受外界环境影响使得产生的冷原子有大幅度随机抖动从而影响了冷原子型一起的测量稳定性和精度，以及虽然减小了光纤因素导致的冷原子参数随机抖动但却引入了额外误差的缺陷，本发明提供一种双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置。

本发明的技术解决方案如下：

双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置，其特殊之处在于：

包括真空26面体、第一Ⅰ型分束光筒、第二Ⅰ型分束光筒、第一Ⅱ型分束光筒、第二Ⅱ型分束光筒、第一Ⅲ型分束光筒、第二Ⅲ型分束光筒、第一激光准直扩束器、第二激光准直扩束器、第一光束转折器、第二光束转折器、第三光束转折器和第四光束折转器；

真空26面体是由一个正方体分别沿与其四条体对角线垂直的方向等尺寸切割去掉八个顶点，再将十二条棱边的剩余部分切除所得到的；真空26面体表面的6个八边形面分别记为A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面，其中A、A＇平面相对设置，B、B＇平面相对设置，C、C＇平面相对设置；将真空26面体先沿其表面的6个八边形面两两相对的中心连线打穿掏空，再沿其表面8个六边形面两两相对的中心连线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成真空腔体；将A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面对应的光窗分别记为A光窗、A＇光窗、B光窗、B＇光窗、C光窗、C＇光窗；

第一Ⅰ型分束光筒和第二Ⅰ型分束光筒分别垂直安装在所述A平面和A＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅱ型分束光筒和第二Ⅱ型分束光筒分别垂直安装在所述B平面和B＇平面上且二者的光轴重合，第一Ⅲ型分束光筒与第二Ⅲ型分束光筒分别垂直安装在所述C平面和C＇平面上且二者的光轴重合；

第一激光准直扩束器与所述第一Ⅰ型分束光筒连接，且其出光口的中心轴线与第一Ⅰ型分束光筒的光输入口的中心轴线重合；第二激光准直扩束器与所述第二Ⅰ型分束光筒连接，且其出光口的中心轴线与第二Ⅰ型分束光筒的光输入口的中心轴线重合；

第一光束转折器、第二光束转折器、第三光束转折器和第四光束转折器均设置在真空26面体上，且分别位于A平面与B平面之间、B平面与C平面之间、A＇平面与B＇平面之间、B＇平面与C＇平面之间的矩形面上；

第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束进入第一Ⅰ型分束光筒后，被分为第一透射光和第一反射光；第一反射光的功率为第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束功率的1/3，第一透射光的功率为第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；

第一反射光从所述第一Ⅰ型分束光筒输出后，经所述A光窗进入真空26面体内；

第一透射光从所述第一Ⅰ型分束光筒输出后，经所述第一光束转折器折转进入所述第一Ⅱ型分束光筒内后分为第二透射光和第二反射光；第二透射光和第二反射光的功率比为1:1；

第二反射光从第一Ⅱ型分束光筒输出后，经所述B光窗进入真空26面体内；

第二透射光从第一Ⅱ型分束光筒输出后，经第二光束转折器折转进入第一Ⅲ型分束光筒内，被分束后得到第三反射光，第三发射光经所述C光窗进入真空26面体；

第二激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束进入第二Ⅰ型分束光筒后，被分为第四透射光和第四反射光；第四反射光的功率为第二激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束的1/3，第四透射光的功率为第二激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束功率的2/3；

第四反射光从所述第二Ⅰ型分束光筒输出后，经所述A＇光窗进入真空26面体内；

第四透射光从所述第二Ⅰ型分束光筒输出后，经第三光束转折器折转进入第二Ⅱ型分束光筒内，被分束后得到第五透射光和第五反射光；第五透射光和第五反射光的功率比为1:1；

第五反射光从所述第二Ⅱ型分束光筒输出后，经所述B＇光窗进入真空26面体内；

第五透射光从所述第二Ⅱ型分束光筒输出后，经第四光束转折器折转进入第二Ⅲ型分束光筒内，被分束后得到第六反射光，第六反射光经所述C＇光窗进入真空26面体内。

进一步地，Ⅰ型分束光筒、Ⅰ型分束光筒、Ⅲ型分束光筒中，至少一种分束光筒上安装有光电探测器。

进一步地，第一Ⅰ型分束光筒和第二Ⅰ型分束光筒上分别固定安装有第一反亥姆赫兹线圈和第二反亥姆赫兹线圈；

或者，

第一Ⅱ型分束光筒和第二Ⅱ型分束光筒上分别固定安装有第一反亥姆赫兹线圈和第二反亥姆赫兹线圈；

或者，

第一Ⅲ型分束光筒、第二Ⅲ型分束光筒分别固定安装有第一反亥姆赫兹线圈和第二反亥姆赫兹线圈。

进一步地，第一Ⅰ型分束光筒包括第一光输入口、第一偏振分束器、第一λ/4波片、第一光输出口和第一出光口；所述第一激光准直扩束器输出的大口径线偏振平行激光束从所述第一光输入口入射至所述第一偏振分束器后被分为两束光，其中反射光经所述第一λ/4波片后从第一出光口输出，透射光直接从所述第一光输出口输出；

第二Ⅰ型分束光筒与第一Ⅰ型分束光筒的结构相同；

第一Ⅱ型分束光筒包括第二光输入口、λ/2波片、第二偏振分束器、梯形棱镜、直角反射棱镜、第二光输出口、第二λ/4波片、第二出光口；光从第二光输入口进入，经λ/2波片后进入第二偏振分束器，由第二偏振分束器分为两部分，其中反射光依次经第二λ/4波片后从第二出光口输出，透射光经梯形棱镜两个斜面两次反射后到达直角反射棱镜，再由直角反射棱镜的斜面反射后从第二光输出口输出；

第二Ⅱ型分束光筒与第一Ⅱ型分束光筒结构相同；

第一Ⅲ型分束光筒包括第三光输入口、λ/2波片、第三偏振分束器、第二λ/4波片和第三出光口；光从第三光输入口进入，经λ/2波片后进入第三偏振分束器，由第三偏振分束器分为两部分，其中反射光经第二λ/4波片后从第三出光口输出；

第二Ⅲ型分束光筒与第一Ⅲ型分束光筒结构相同。

进一步地，第一Ⅰ型分束光筒、第二Ⅰ型分束光筒、第一Ⅱ型分束光筒、第二Ⅱ型分束光筒、第一Ⅲ型分束光筒、第二Ⅲ型分束光筒中的λ/4波片均由λ/2波片替换；并且，第一Ⅰ型分束光筒、第二Ⅰ型分束光筒、第一Ⅱ型分束光筒、第二Ⅱ型分束光筒、第一Ⅲ型分束光筒、第二Ⅲ型分束光筒上均不安装反亥姆赫兹线圈。

进一步地，第一光束转折器包括介质全反射镜；第二光束转折器、第三光束转折器和第四光束折转器与第一光束转折器结构相同。

进一步地，第一光束转折器包括等腰梯形棱镜；等腰梯形棱镜两侧面与下底面夹角为45度，等腰梯形棱镜的两底面镀全反射膜，两侧的斜面镀增透膜。

进一步地，所述等腰梯形棱镜的两底面镀反射率大于99.6％的全反射膜，两侧的斜面镀透射率大于99.5％的增透膜。

进一步地，第一激光准直扩束器包括沿激光输入方向依次设置的可插拔光纤耦合头、起偏器、λ/2波片、平凹透镜、45度平面反射镜和消色差透镜；由单模保偏光纤导入的激光束通过可插拔光纤耦合头将冷却原子所需激光输入，光束经依次设置的起偏器、λ/2波片、平凹透镜、45度平面反射镜，消色差透镜后扩束并准直为大口径线偏振平行激光束输出。

与现有技术相比，本发明有益效果：

1.本发明设计了独特的三维MOT光路传输拓扑，将原来需要的六根保偏光纤缩减为两根，极大地消除了入射激光偏振度不稳定和光强起伏对产生的冷原子质量的影响；本发明集激光扩束准直、分束反射、偏振变换、反亥姆赫兹磁场线圈和光功率实时监测等多种功能于一体，利用激光光束的偏振特性，通过多次光束分束与反射，在仅有两路输入光的情况下实现了用于原子冷却的六束激光的功率、偏振的独立调节，特别是能使两两对射的六束光在会聚点的功率调节至严格相等，因而大幅度的降低了装置工作过程中由于六束光功率起伏步调不一致所产生的影响，极大的提高了冷原子系统的性能，能够满足高质量冷原团与原子喷泉的制备要求，在超高真空腔内形成磁光阱或全光阱。

2.本发明工作时，激光束在真空腔外传输时均以线偏振方式进行反射，能有效的确保激光偏振度的稳定性，不存在由于圆偏振光退偏所导致的冷原子团质量参数变化；在真空腔内部以图1所示的圆偏振方式传播，能满足原子冷却的要求。

3.本发明中由两个Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型分束光筒出射的两束对射的冷却激光束为圆偏振光，且两束光的偏振方向正交，两束光由MOT射出后彼此进入相对的分束光筒，在经过分束光筒中的λ/4波片后，两光束的偏振均转变为与分束光筒中偏振分束器的偏振轴平行的线偏振光，因此可以全部从偏振分束器后透射而出，由偏振分束器后的光电探测器接收，测量的光强正比于MOT中冷原子制备实际使用光强，因而能准确可靠的监控实际参与冷原子制备的激光光强变化。

4.本发明中设计了基于26面体的全新真空腔体，大幅减小了三维MOT的重量。

5.本发明中设计了带有功率监测功能的分束光筒，可以实时监测MOT中实际用于原子冷却的激光束的功率变化。

6.本发明中的三种分束光筒的光输入口和光输出口都带有金属套管，具有空间光束传输保护功能，能保证光路经真空腔体外部空间传输时不会受到真空腔体上复杂电缆的遮断，同时减小外部空气流动对空间光束的扰动。

7.本发明中的三种分束光筒结构简单，且长度可以比现有三维MOT中采用的光筒缩短40％以上，使整个冷原子装置的体积有较大程度的缩小，有利于冷原子装置的小型化，可作为移动型冷原子设备的长期使用的关键部件。

8.本发明与一般激光冷却原子的三维磁光阱装置相比，整个光机系统结构极为紧凑，活动的光学元件和机械零部件均大为减少，实现了激光冷却原子系统的小型化、轻量化以及高可靠性和高稳定性，可以长期应用于移动型冷原子设备。

附图说明

图1是典型的磁光阱工作原理示意图。

图2是本发明双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置的结构示意图。

图3是本发明双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置的光路走向示意图。

图4是本发明中第一激光准直扩束器与第一Ⅰ型分束光筒固定连接后的剖视图。

图5A是本发明中Ⅱ型分束光筒的剖视图。

图5B是本发明中Ⅱ型分束光筒的立体图。

图6是本发明中Ⅲ型分束光筒的剖视图。

图7是本发明中光束转折器的结构示意图。

图8是本发明中光束转折器采用梯形棱镜作为反射器的结构示意图。

附图标记说明：

100A-第一Ⅰ型分束光筒；200A-第二Ⅰ型分束光筒；110、210-第一偏振分束器；111、211-第一λ/4波片；115-第一光输入口；116-第一镜筒；117-第一光输出口；118-第一光电探测器；119-第一出光口；

100B-第一Ⅱ型分束光筒；200B-第二Ⅱ型分束光筒；120、220-λ/2波片；121、221-第二偏振分束器；122、222-梯形棱镜；123、223-第二λ/4波片；124、224-直角反射棱镜；126-第二镜筒；127-第二光输入口；128-第二光输出口；129-第二出光口；

100C-第一Ⅲ型分束光筒；200C-第二Ⅲ型分束光筒；130、230-λ/2波片；131、231-第三偏振分束器；132、232-第三λ/4波片；133-第三镜筒；134-第三光输入口；135-第三出光口；136-第二光电探测器；

100D-第一光束转折器；100E-第二光束转折器；200D-第三光束转折器；200E-第四光束转折器；112、125、212、225-介质全反射镜；113-反射镜安装架；114-机械支撑座；115-等腰梯形棱镜；

100-第一激光准直扩束器；200-第二激光准直扩束器；101-可插拔光纤耦合头；102-起偏器；103-λ/2波片；104-平凹透镜；105-45度平面反射镜；106-消色差透镜；

301-第一反亥姆赫兹线圈；302-第二反亥姆赫兹线圈；

400-真空26面体；

501-第一透射光；502-第一反射光；503-第二透射光；504-第二反射光；506-第三反射光；132-λ/4波片；601-透射光；602-第四反射光；603-第五透射光；604-第五反射光；606-第六反射光。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明双光束输入的激光冷却原子三维磁光阱装置，包括真空26面体400、第一Ⅰ型分束光筒100A、第二Ⅰ型分束光筒200A、第一Ⅱ型分束光筒100B、第二Ⅱ型分束光筒200B、第一Ⅲ型分束光筒100C、第二Ⅲ型分束光筒200C、带有保偏光纤接口的第一激光准直扩束器100、带有保偏光纤接口的第二激光准直扩束器200、第一光束转折器100D、第二光束转折器100E、第三光束转折器200D、第四光束折转器200E。

真空26面体400是由一个正方体分别沿与其四条体对角线垂直的方向等尺寸切割去掉八个顶点，再将十二条棱边的剩余部分切除所得到的；真空26面体400表面有12个矩形面，8个六边形面，6个八边形面；6个八边形面为原正方体六个面经切割后剩余的表面，记为A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面，其中A平面、A＇平面相对设置，B平面、B＇平面相对设置，C平面、C＇平面相对设置(如图2、8中所示)；8个六边形面所在的平面为原正方体切除八个顶点后产生的面，8个六边形面两两相对；12个矩形面为切除顶点后的原正方体再切除剩余棱边所产生的面；将真空26面体400先沿A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面两两相对的中心连线打穿掏空，再沿8个六边形面两两相对的中心连线打穿掏空，然后在各表面处加玻璃光窗密封，抽真空后形成真空腔体，将A平面、A＇平面、B平面、B＇平面、C平面、C＇平面对应的光窗分别记为A光窗、A＇光窗、B光窗、B＇光窗、C光窗、C＇光窗。

第一Ⅰ型分束光筒100A和第二Ⅰ型分束光筒200A分别垂直安装在真空26面体400的A平面和A＇平面的外表面上且二者的光轴重合，第一Ⅱ型分束光筒100B和第二Ⅱ型分束光筒200B分别垂直安装在真空26面体400的B平面和B＇平面的外表面上且二者的光轴重合，第一Ⅲ型分束光筒100C与第二Ⅲ型分束光筒200C分别垂直安装在C平面和C＇平面的外表面上且二者的光轴重合；

第一激光准直扩束器100通过机械转接件与第一Ⅰ型分束光筒100A固定连接，且第一激光准直扩束器100出光口的中心轴线与第一Ⅰ型分束光筒100A的光输入口的中心轴线重合；第二激光准直扩束器200通过机械转接件与第二Ⅰ型分束光筒200A固定连接，且第二激光准直扩束器200出光口的中心轴线与第二Ⅰ型分束光筒200A的光输入口的中心轴线重合；

第一光束转折器100D安装在真空26面体400的A平面与B平面之间的矩形面上，第二光束转折器100E安装在真空26面体400的B平面与C平面之间的矩形面上，第三光束转折器200D安装在真空26面体400的A＇平面与B＇平面之间的矩形面上，第四光束转折器200E安装在真空26面体400的B＇平面与C＇平面之间的矩形面上；

在第一Ⅲ型分束光筒100C上安装有第一反亥姆赫兹线圈301，在第二Ⅲ型分束光筒200C上安装有第二反亥姆赫兹线圈302；第一反亥姆赫兹线圈301与第二反亥姆赫兹线圈302几何中心的连线与第一Ⅲ型分束光筒100C和第二Ⅲ型分束光筒200C的光轴重合，使其产生的磁场中心与6束激光对射的中心自然重合，通以适当的电流，即可满足磁光阱需求。在其他实施例中，两个反亥姆赫兹线圈也可以分别固定安装在I型、Ⅱ型分束光筒中的任意一种上，且两个反亥姆赫兹线圈的几何中心连线与相应分束光筒的光轴重合。

如图4所示，第一激光准直扩束器100外观为L型，包括筒体、在筒体内沿激光输入方向依次设置的可插拔光纤耦合头101、起偏器102、λ/2波片103、平凹透镜104、45度平面反射镜105和消色差透镜106；可插拔光纤耦合头101、起偏器102、λ/2波片103、平凹透镜104、45度平面反射镜105的几何中心在同一条光轴线上；消色差透镜106设置在45度平面反射镜105的一侧；消色差透镜106几何中心与45度平面反射镜105几何中心的连线，与平凹透镜104几何中心所在光轴垂直；由单模保偏光纤导入的激光束通过可插拔光纤耦合头101将冷却原子所需激光输入，光束经依次设置的起偏器102、λ/2波片103、平凹透镜104、45度平面反射镜105，消色差透镜106后扩束并准直为大口径线偏振平行激光束输出。第二激光准直扩束器200与第一激光准直扩束器100结构相同。

如图4所示，第一Ⅰ型分束光筒100A包括一端带有圆形法兰的第一镜筒116，第一镜筒116的一侧设置有第一光输入口115，第一镜筒116上与第一光输入口115相对的侧面设置有带金属套管的第一光输出口117；在第一镜筒116内设置有第一偏振分束器110，且第一偏振分束器110位于第一光输入口115与第一光输出口117之间，第一光输入口115、第一偏振分束器110和第一光输出口117的几何中心处于同一直线上，该直线与第一光输出口117的金属套管中心轴线重合且垂直于第一镜筒116的中心轴线；在第一偏振分束器110沿第一镜筒116中心轴线的正下方设置有一个带锁紧机构的旋转安装座，旋转安装座中装有第一λ/4波片111，第一λ/4波片111的下方为带圆形法兰的第一出光口119；第一偏振分束器110、第一λ/4波片111与第一出光口119的几何中心连线与第一镜筒116的中心轴线重合；在第一镜筒116上与带圆形法兰的第一出光口119相对的端面上开设有通光孔，通光孔处安装有第一光电探测器118，用于光强监测。大口径线偏振平行激光束从第一光输入口115入射至第一偏振分束器110后被分为两束光，其中反射光经过第一λ/4波片111后从第一出光口119输出，透射光直接从第一光输出口117输出。第二Ⅰ型分束光筒200A的结构与第一Ⅰ型分束光筒100A相同。

如图5A、5B所示，第一Ⅱ型分束光筒100B包括一端带有圆形法兰的第二镜筒126，第二镜筒126的一侧设置有带金属套管的第二光输入口127，在第二镜筒126内位于第二光输入口127的下游依次设置有λ/2波片120、第二偏振分束器121和梯形棱镜122；第二光输入口127、λ/2波片120、第二偏振分束器121以及梯形棱镜122的一个斜面的几何中心均位于第二光输入口127的金属套管的中心轴线上，将该中心轴线称为第一光轴；梯形棱镜122的长底面与第二偏振分束器121透射光的出射面平行并相对放置；在第二偏振分束器121的一个非通光面上设置有直角反射棱镜124，直角反射棱镜124的斜反射面与梯形棱镜122的长底面相对，二者之间的空间形成第二光输出口128，在第二光输出口128处设有方筒或圆筒型金属套管；在通过第二偏振分束器121的几何中心并与第一光轴垂直的另一轴线上依次设置有第二λ/4波片123、带有圆形法兰的第二出光口129；λ/2波片120、第二λ/4波片123均安装在带有锁紧机构的旋转安装座中，可以绕第二镜筒126的中心轴线360度转动。光从第二光输入口127进入，经λ/2波片120后进入第二偏振分束器121，由第二偏振分束器121分为两部分，其中反射光依次经第二λ/4波片123后从第二出光口129输出，透射光经梯形棱镜122两个斜面两次反射后到达直角反射棱镜124，再由直角反射棱镜124的斜面反射后从第二光输出口128输出。第二Ⅱ型分束光筒200B与第一Ⅱ型分束光筒100B的结构相同。

如图6所示，第一Ⅲ型分束光筒100C包括一端带有圆形法兰的第三镜筒133，第三镜筒133的一侧设置有带金属套管的第三光输入口134，第三光输入口134内安装有带锁紧机构的旋转安装座，在旋转安装座内安装有λ/2波片130，λ/2波片130可绕自身中心轴线360度转动；在第三镜筒133内设置有第三偏振分束器131，且第三偏振分束器131位于λ/2波片130的下游；第三光输入口134、λ/2波片130、第三偏振分束器131的几何中心处于同一直线上，该直线与第三光输入口134的金属套管的中心轴线重合并垂直于第三镜筒133的中心轴线；在第三镜筒133内位于第三偏振分束器131的正下方设置有带锁紧机构的旋转安装座，在旋转安装座内安装有第三λ/4波片132，第三λ/4波片132能够绕第三镜筒133的中心轴线360度转动；第三λ/4波片132的下方为带圆形法兰的第三出光口135；第三偏振分束器131、第三λ/4波片132与第三出光口135的几何中心连线与第三镜筒133的中心轴线重合；在第三镜筒133上与带圆形法兰的第三出光口135相对的端面上开设有通光孔，通光孔处安装有第二光电探测器136，用于光强监测。光从第三光输入口134进入，经λ/2波片130后进入第三偏振分束器131，由第三偏振分束器131分为两部分，其中反射光经第三λ/4波片132后从第三出光口135输出。第二Ⅲ型分束光筒200C与第一Ⅲ型分束光筒100C结构相同。

在其他实施例中，Ⅰ型分束光筒、Ⅱ型分束光筒、Ⅲ型分束光筒均可在其镜筒上与带圆形法兰的出光口相对的端面上开设通光孔，在通光孔处安装光电探测器，用于光强监测；也可以根据需要只在Ⅰ型分束光筒、Ⅱ型分束光筒、Ⅲ型分束光筒之一安装光电探测器。

如图7所示，第一光束转折器100D包括介质全反射镜112、反射镜安装架113，以及机械支撑座114。反射镜安装架113可以采用二维挠性调制架。第二光束转折器100E、第三光束转折器200D、第四光束转折器200E与第一光束转折器100D的结构相同。

本发明上述结构组件中，机械结构组件中的金属部件均采用无磁金属制作，例如铝合金、钛合金。

本发明的核心内容是由两个带有保偏光纤接口的激光准直扩束器、与两个Ⅰ型分束光筒、四个光束转折器、两个Ⅱ型分束光筒、两个Ⅲ型分束光筒组成的一个磁光阱光路系统，以下参照图3-7所示对其光路拓扑进行详细说明。

由第一激光准直扩束器100输入的激光经过光纤接口输入，扩束准直为线偏振平行光束进入第一Ⅰ型分束光筒100A，调节第一激光准直扩束器100中的λ/2波片103，使该光束通过第一Ⅰ型分束光筒100A中的第一偏振分束器110后分为第一透射光501和第一反射光502两部分，第一反射光502功率为第一激光准直扩束器100输出的线偏振平行光束功率的1/3，第一透射光501功率为第一激光准直扩束器100输出的线偏振平行光束功率的的2/3；

第一反射光502依次经过第一Ⅰ型分束光筒100A中的第一λ/4波片111、A光窗后进入真空26面体400内；第一透射光501经第一光束转折器100D中的介质全反射镜112反射后，光路折转90度垂直入射至第一Ⅱ型分束光筒100B中的λ/2波片120、然后进入第二偏振分束器121，由第二偏振分束器121分为第二透射光503和第二反射光504两部分；调节第一Ⅱ型分束光筒100B中的λ/2波片120的旋转座，使第二透射光503和第二反射光504的功率比为1:1；

第二反射光504依次经过第一Ⅱ型分束光筒100B中的第二λ/4波片123、B光窗后进入真空26面体400内；第二透射光503经第一Ⅱ型分束光筒100B中的梯形棱镜122两个斜面两次反射后到达直角反射棱镜124，再由直角反射棱镜124的斜面反射至第二光束转折器100E，被第二光束转折器100E中的介质全反射镜125反射后光路折转90度垂直入射至第一Ⅲ型分束光筒100C的光输入口，调节第一Ⅲ型分束光筒100C中的λ/2波片130的旋转座，使第二透射光503的偏振方向与第一Ⅲ型分束光筒100C中的第三偏振分束器131的偏振透射方向正交，第二透射光503被第三偏振分束器131反射后成为第三反射光506，第三反射光506依次经过第三λ/4波片132、C光窗后进入真空26面体400内。

由第二激光准直扩束器200输入的激光经过光纤接口输入，扩束准直为线偏振平行光束进入第二Ⅰ型分束光筒200A，调节第二激光准直扩束器200中的λ/2波片，使该光束通过第二Ⅰ型分束光筒200A中的第一偏振分束器210后分为第四透射光601和第四反射光602两部分，第四反射光602功率为第二激光准直扩束器200输出的线偏振平行光束功率的的1/3，第四透射光601功率为第二激光准直扩束器200输出的线偏振平行光束功率的的2/3；

第四反射光602依次经过第二Ⅰ型分束光筒200A中的第一λ/4波片211、A＇光窗后进入真空26面体400内；第四透射光601经第三光束转折器200D中的介质全反射镜212反射后，光路折转90度垂直入射至第二Ⅱ型分束光筒200B中的λ/2波片220、然后进入第二Ⅱ型分束光筒200B中的第二偏振分束器221，由第二偏振分束器221分为第五透射光603和第五反射光604两部分；调节第二Ⅱ型分束光筒200B中的λ/2波片220的旋转座，使第五透射光603和第五反射光604的功率比为1:1；

第五反射光604依次经过第二Ⅱ型分束光筒200B中的第二λ/4波片223、B＇光窗后进入真空26面体400内；第五透射光603经第二Ⅱ型分束光筒200B中的第二梯形棱镜222两个斜面两次反射后到达第二Ⅱ型分束光筒200B中的第二直角反射棱镜224，再由第二直角反射棱镜224的斜面反射至第四光束转折器200E，被第四光束转折器200E中的介质全反射镜225反射后光路折转90度垂直入射至第二Ⅲ型分束光筒200C的光输入口，调节第二Ⅲ型分束光筒200C中的λ/2波片230的旋转座，使第五透射光603的偏振方向与第二Ⅲ型分束光筒200C中第三偏振分束器231的偏振透射方向正交，第五透射光603被第三偏振分束器231反射后成为第六反射光606，第六反射光606依次经过第二Ⅲ型分束光筒中第三λ/4波片232、C＇光窗后进入真空26面体400内。

第一反射光502与第四反射光602、第二反射光504与第五反射光604、第三反射光506与第六反射光606两两共线相对传输，且光斑直径相同、功率相等；分别调节第一λ/4波片111、第二λ/4波片123、第三λ/4波片132即可使第一反射光502与第四反射光602、第二反射光504与第五反射光604、第三反射光506与第六反射光606两两偏振正交，满足冷原子制备要求。

本发明中的激光光强监测：

通常情况下由于MOT上光学组件结构设计上的限制，光强监测的方法是通过监测激光束未进入MOT的分量，然后经过分光比来标定出激光束进入MOT的部分的光强大小。这种方法不能真实反映进入MOT的激光束的光强变化以及由于原子吸收导致的光强随时间的变化情况。本发明中由两个Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型分束光筒出射的两束对射的冷却激光束为圆偏振光，且两束光的偏振方向正交，两束光由MOT射出后彼此进入相对的分束光筒，在经过相对分束光筒中的λ/4波片后，两光束的偏振均转变为与分束光筒中偏振分束器的偏振轴平行的线偏振光，因此可以全部从偏振分束器后透射而出，由偏振分束器后的光电探测器接收，测量的光强正比于MOT中冷原子制备实际使用光强，因而测量结果准确可靠。

在其他实施例中，光束转折器中的介质全反射镜可以用等腰梯形棱镜代替；等腰梯形棱镜两侧面与下底面夹角为45度，等腰梯形棱镜的两底面镀反射率大于99.6％的全反射膜，两侧的斜面镀透射率大于99.5％的增透膜。图8是采用等腰梯形棱镜的光束折转器用于光路折转的示意图，为显示方便起见图8中省略了第一Ⅲ型分束光筒100C以及其它部分。当光束折转器采用等腰梯形棱镜115时，相应的安装架113和机械支撑座114的尺寸应进行适应性调整，结构不变。此时，第一Ⅰ型分束光筒100A输出的光束在等腰梯形棱镜115中反射三次后进入第一Ⅱ型分束光筒100B。

在另一些实施例中，将上述实施例中两个Ⅰ型分束光筒、两个Ⅱ型分束光筒、两个Ⅲ型分束光筒中的λ/4波片均替换为λ/2波片，同时去掉两个反亥姆赫兹磁场线圈，可以实现原子的线⊥线偏振梯度冷却，即实现光学黏胶式的冷原子团。