精準光束、穩如磐石——SK全新光纖準直器助力冷原子實驗

導語

在超冷原子實驗中，激光束的穩定性、偏振控制與多波長兼容直接決定了制冷與捕獲的效率。傳統自由空間光學布局往往面臨對準困難、熱漂移以及空間占用大的痛點。今天，我們為您揭秘SK（Sch?fter+Kirchhoff 簡稱 ）研發的 專業光纖準直器 系列——從集成四分之一波片到二合一二色鏡，再到可生成橢圓光束的各向異性擴束裝置，幫助您“一鍵"實現高效、可靠的冷原子實驗布局。

你是否在實驗室為光束對準、偏振切換、波長切換而頭疼？下面的技術方案或許正是你需要的答案。

圖1：具有橢圓光束截面的光纖準直器

一、超冷原子實驗對光束的需求

• 磁光阱（MOT） 需要 6 條方向、頻率極度穩定、窄線寬的激光束，以形成均勻的光學勢阱。

• 不同原子種類對應不同工作波長：Rb（780 nm）、K（767 nm）、Sr（461 nm/689 nm） 等，常常需要 多波長 同時進入真空腔。

• 偏振 必須嚴格控制：圓偏振（左/右手）是 MOT 冷卻的關鍵，而 偏振漂移 直接導致捕獲效率下降。

傳統的自由空間光路不僅占位大，還易受到機械振動和溫度變化的影響，導致光束失穩、對準失效。

二、光纖端口集群——多路光束“一鍵分配"

光纖端口集群（Fiber Port Cluster） 是 SK 為 MOT 開發的模塊化解決方案。

• 核心結構：

• 偏振保持（PM）單模光纖（Polarization Extinction Ratio > 26 dB at 780 nm），確保 高效、低損耗 的光束分配。

• 可變分光比：采用 旋轉半波片 + 偏振分束鏡 的級聯，實現 0 % ~ 100 % 任意分配，適配不同實驗的光強需求。

• 機械/熱解耦：光纖本身成為激光源與真空腔之間的“緩沖層"，顯著降低外部擾動對實驗的影響。

• 性能指標（典型）：

• 插入損耗 ≤ 0.2 dB（每條輸出端口）

• 回波抑制（Return Loss） > 55 dB

• 端面平面度 λ/10（保證光束波前質量）

三、專用光纖準直器的核心技術亮點

3.1 集成四分之一波片——光束偏振“一鍵切換"

圖 2：集成四分之一波片的光纖準直器。通過專用工具旋轉四分之一波片，可產生右旋圓偏振光與左旋圓偏振光。該旋轉過程對應龐加萊球上的 “8" 字形軌跡。

細化計算：

給定 NA?2 = 0.09（對應 nom NA = 0.11），如果目標束腰 w? = 8 mm，所需焦距 f 可由公式

其中 λ = 780 nm、D_core ≈ 5 µm，計算得 f ≈ 30 mm。在實際產品中，提供 28 mm、30 mm、32 mm 三檔可選，以匹配常見的 MOT 束腰需求。

3.2 二色光纖準直器（Dichroic Fiber Collimator）——多波長“一束打通"

圖 3：二向色光纖準直器。兩束入射光束經準直后，通過二向色合束器合束，最終擴束至所需光束直徑。

3.3 橢圓光纖準直器——專為雙極阱（Dipole Trap） 定制

圖 4：集成變形光束整形光學元件的光纖準直器 —— 可產生橢圓截面準直高斯光束。該類光纖準直器適用于偶極阱。

四、關鍵參數一覽——幫您精準選型

計算實例：假設使用 NA?2 = 0.09、λ = 780 nm、D_core = 5 µm，若目標束腰 w? = 12 mm，則所需焦距 f ≈ 45 mm（通過上式近似）。在 SK 的產品目錄中，可直接選取 焦距 45 mm 的圓形準直器，或在此基礎上疊加 二色或橢圓模塊。

五、實際案例：從實驗室到科研前沿

技術小貼士：在長時間運行的 MOT（> 48 h）中，建議將 溫度傳感器 與 四分之一波片 進行閉環控制（加熱或制冷），可進一步將 偏振漂移 控制在 < 0.1 % 范圍。

六、結語 & 行動號召

光纖準直器的出現，讓原本繁復的 激光束布局、偏振控制、多波長合束 變得 模塊化、可復用、抗干擾。無論您是 科研院所、高校實驗室，還是 量子技術企業，SK 豐富的產品系列都能為您的 超冷原子實驗 提供 精準、穩健 的光學支撐。