精准光束、稳如磐石——SK全新光纤准直器助力冷原子实验

导语

在超冷原子实验中，激光束的稳定性、偏振控制与多波长兼容直接决定了制冷与捕获的效率。传统自由空间光学布局往往面临对准困难、热漂移以及空间占用大的痛点。今天，我们为您揭秘SK（Schäfter+Kirchhoff 简称 ）研发的 专业光纤准直器 系列——从集成四分之一波片到二合一二色镜，再到可生成椭圆光束的各向异性扩束装置，帮助您“一键"实现高效、可靠的冷原子实验布局。

你是否在实验室为光束对准、偏振切换、波长切换而头疼？下面的技术方案或许正是你需要的答案。

图1：具有椭圆光束截面的光纤准直器

一、超冷原子实验对光束的需求

• 磁光阱（MOT） 需要 6 条方向、频率极度稳定、窄线宽的激光束，以形成均匀的光学势阱。

• 不同原子种类对应不同工作波长：Rb（780 nm）、K（767 nm）、Sr（461 nm/689 nm） 等，常常需要 多波长 同时进入真空腔。

• 偏振 必须严格控制：圆偏振（左/右手）是 MOT 冷却的关键，而 偏振漂移 直接导致捕获效率下降。

传统的自由空间光路不仅占位大，还易受到机械振动和温度变化的影响，导致光束失稳、对准失效。

二、光纤端口集群——多路光束“一键分配"

光纤端口集群（Fiber Port Cluster） 是 SK 为 MOT 开发的模块化解决方案。

• 核心结构：

• 偏振保持（PM）单模光纤（Polarization Extinction Ratio > 26 dB at 780 nm），确保 高效、低损耗 的光束分配。

• 可变分光比：采用 旋转半波片 + 偏振分束镜 的级联，实现 0 % ~ 100 % 任意分配，适配不同实验的光强需求。

• 机械/热解耦：光纤本身成为激光源与真空腔之间的“缓冲层"，显著降低外部扰动对实验的影响。

• 性能指标（典型）：

• 插入损耗 ≤ 0.2 dB（每条输出端口）

• 回波抑制（Return Loss） > 55 dB

• 端面平面度 λ/10（保证光束波前质量）

三、专用光纤准直器的核心技术亮点

3.1 集成四分之一波片——光束偏振“一键切换"

图 2：集成四分之一波片的光纤准直器。通过专用工具旋转四分之一波片，可产生右旋圆偏振光与左旋圆偏振光。该旋转过程对应庞加莱球上的 “8" 字形轨迹。

细化计算：

给定 NAₑ² = 0.09（对应 nom NA = 0.11），如果目标束腰 w₀ = 8 mm，所需焦距 f 可由公式

其中 λ = 780 nm、D_core ≈ 5 µm，计算得 f ≈ 30 mm。在实际产品中，提供 28 mm、30 mm、32 mm 三档可选，以匹配常见的 MOT 束腰需求。

3.2 二色光纤准直器（Dichroic Fiber Collimator）——多波长“一束打通"

图 3：二向色光纤准直器。两束入射光束经准直后，通过二向色合束器合束，最终扩束至所需光束直径。

3.3 椭圆光纤准直器——专为双极阱（Dipole Trap） 定制

图 4：集成变形光束整形光学元件的光纤准直器 —— 可产生椭圆截面准直高斯光束。该类光纤准直器适用于偶极阱。

四、关键参数一览——帮您精准选型

计算实例：假设使用 NAₑ² = 0.09、λ = 780 nm、D_core = 5 µm，若目标束腰 w₀ = 12 mm，则所需焦距 f ≈ 45 mm（通过上式近似）。在 SK 的产品目录中，可直接选取 焦距 45 mm 的圆形准直器，或在此基础上叠加 二色或椭圆模块。

五、实际案例：从实验室到科研前沿

技术小贴士：在长时间运行的 MOT（> 48 h）中，建议将 温度传感器 与 四分之一波片 进行闭环控制（加热或制冷），可进一步将 偏振漂移 控制在 < 0.1 % 范围。

六、结语 & 行动号召

光纤准直器的出现，让原本繁复的 激光束布局、偏振控制、多波长合束 变得 模块化、可复用、抗干扰。无论您是 科研院所、高校实验室，还是 量子技术企业，SK 丰富的产品系列都能为您的 超冷原子实验 提供 精准、稳健 的光学支撑。