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CN112851098A - 基于超短脉冲激光的原子气室制备装置及方法 - Google Patents

基于超短脉冲激光的原子气室制备装置及方法 Download PDF

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CN112851098A
CN112851098A CN202110047245.XA CN202110047245A CN112851098A CN 112851098 A CN112851098 A CN 112851098A CN 202110047245 A CN202110047245 A CN 202110047245A CN 112851098 A CN112851098 A CN 112851098A
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夏可宇
潘瑞恺
阮亚平
吴浩东
陆延青
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Nanjing University
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Nanjing University
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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Abstract

本发明公开了一种基于超短脉冲激光的原子气室制备装置及方法，装置包括超短脉冲激光器、振镜扫描器、工作台、第一位移台、第二位移台、第一夹具、第二夹具、第一步进电机、第二步进电机和控制模块，其中，超短脉冲激光器、振镜扫描器和工作台按照竖直方向从上到下依次固定，振镜扫描器用于将激光器发射的飞秒脉冲激光束进行聚焦，第一位移台和第二位移台分别设置在所述工作台两侧并可在所述工作台上移动，第一夹具固定在第一位移台上，并与第一步进电机连接，第二夹具固定在第二位移台上，并与第二步进电机连接，控制模块分别连接所述第一步进电机、第二步进电机，用于实现精确控制。本发明成本低、制作周期短、品质高，光学窗口透过率达99.8％以上。

Description

基于超短脉冲激光的原子气室制备装置及方法
技术领域
本发明涉及光量子信息技术领域，尤其涉及一种基于超短脉冲激光的原子气室制备装置及方法。
背景技术
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态。人们可以通过光，电，材料科学等先进技术手段对量子态进行精确控制，即量子态调控。几乎每个国家都很重视这项前沿技术，一旦未来的量子调控技术得到全面应用，人类的生产生活将发生翻天覆地的变化。原子气室是一种能够实现量子态调控的装置，它是将原子蒸气存储在玻璃等透明容器中，构成一个封闭的体系。相较于其它复杂的量子调控系统，原子气室由于其简单方便的特点被广泛的应用于原子钟、原子磁力仪、量子信息处理等领域。高品质的原子气室需要进行镀膜处理：为了克服壁弛豫，通常在气室内表面镀上抗弛豫膜，为了减少光功率损耗，在气室通光窗口内外两面镀高透过率增透膜，但普通的原子气室光学窗口和气室主体是一体化的，这导致对光学窗口内侧镀增透膜十分困难，且成本高；此外，现有的密封大部分为化学胶合密封，需长时间的固化，制作周期长。现有技术也有采用丙烷加氧焰焊接方式，但是该方法焊接不精准，容易因大面积加热不均匀导致窗口片光学镀膜区域损坏。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种制作方式简单、成本低、制作周期短、品质高的基于超短脉冲激光的原子气室制备装置及方法。
技术方案：本发明所述的基于超短脉冲激光的原子气室制备装置包括超短脉冲激光器、振镜扫描器、工作台、第一位移台、第二位移台、第一夹具、第二夹具、第一步进电机、第二步进电机和控制模块，其中，所述超短脉冲激光器、振镜扫描器和工作台按照竖直方向从上到下依次固定，所述振镜扫描器用于将所述超短脉冲激光器发射的飞秒脉冲激光束进行聚焦，所述第一位移台和第二位移台分别设置在所述工作台两侧并可在所述工作台上移动，所述第一夹具固定在所述第一位移台上，并与第一步进电机连接，所述第二夹具固定在所述第二位移台上，并与第二步进电机连接，所述控制模块分别连接所述第一步进电机、第二步进电机，用于实现精确控制。
进一步的，所述第一夹具和第二夹具体为可调节的爪形夹具，分别由第一位移台、第二位移台调整位置，由第一步进电机、第二步进电机控制旋转。
本发明所述的基于超短脉冲激光的原子气室制备方法采用上述装置实现，具体包括步骤：
S1、准备待焊接的镀膜窗口片和石英玻璃管；
S2、调整第一夹具、第二夹具，使得第一夹具能紧密夹持住待焊接的镀膜窗口片、第二夹具能紧密夹持住待焊接的石英玻璃管；
S3、通过调整第一位移台、第二位移台位置，调整第一夹具、第二夹具位置，使镀膜窗口片和石英玻璃管对齐和贴紧；
S4、打开超短脉冲激光器，调整振镜扫描器，将超短脉冲激光器发射的飞秒脉冲激光束的聚焦焦点位于镀膜窗口片和石英玻璃管的接触面；
S5、每次焊接完一个焊点后，控制模块控制第一步进电机、第二步进电机使得石英玻璃管、镀膜窗口片匀速同步旋转，改变焊点位置，最终实现对石英玻璃管和镀膜窗口片的接触面的连续焊接，形成一圈封闭焊接区域；
S6、焊接完成，镀膜窗口片和石英玻璃管固定为一体，形成原子气室。
进一步的，步骤S1具体包括：
S101、获取未镀膜窗口片和石英玻璃管，并将未镀膜窗口片和石英玻璃管的端面打磨平整并抛光，达到可以光学接触的程度；
S102、依次用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗未镀膜窗口片和石英玻璃管；
S103、烘干清洗后的未镀膜窗口片和石英玻璃管；
S104、对烘干后的未镀膜窗口片两侧镀增透介质膜，形成镀膜窗口片。
进一步的，步骤S5中焊接时，调整所述超短脉冲激光器的激光焊接参数，使得在不损坏镀膜窗口片增透膜的前提下完成石英玻璃管和镀膜窗口片的焊接和密封。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明制备的原子气室光学窗口内外两侧均镀有高透过率增透膜，减少了光的损耗，采用分体的结构，镀膜后再进行装配封装，使得对光学窗口两侧镀膜变得十分简单方便。本发明提出的超短脉冲激光焊接密封不仅保证了增透膜不被损坏，而且气密性也能满足需求，相比于化学胶合密封工艺要求高，但是周期短，无需长时间的固化，相比于丙烷加氧焰的方法，焊接精准，不容易因大面积加热不均匀导致窗口片光学镀膜区域损坏。
附图说明
图1是本发明提供的基于超短脉冲激光的原子气室制备装置的一个实施例的结构图；
图2是采用本发明得到的一种原子气室的结构图；
图3是本发明提供的基于超短脉冲激光的原子气室制备方法的一个实施例的流程示意图；
图4是采用本发明得到的另一种原子气室的结构图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种基于超短脉冲激光的原子气室制备装置，如图1所示，包括飞秒超短脉冲激光器1、振镜扫描器2、第一步进电机3-1、第二步进电机3-2、第一夹具4-1、第二夹具4-2、第一位移台7-1、第二位移台7-2、控制模块8、工作台9。超短脉冲激光器1、振镜扫描器2和工作台9按照竖直方向从上到下依次固定，超短脉冲激光器1、振镜扫描器2的固定可以用机架或其他方式固定，超短脉冲激光器1出射的激光为飞秒脉冲激光，振镜扫描器2对激光脉冲进行聚焦，使得激光束焦点位于石英玻璃管6和镀膜窗口片5的交界面上，镀膜窗口片5和石英玻璃管6分别由第一夹具4-1和第二夹具4-2固定，第一位移台7-1、第二位移台7-2分别设置在工作台9两侧并可在工作台9上移动，第一夹具4-1固定在第一位移台7-1上，并与第一步进电机3-1连接，第二夹具4-2固定在第二位移台7-2上，并与第二步进电机3-2连接，控制模块8分别连接第一步进电机3-1、第二步进电机3-2，用于实现电机的精确控制。第一夹具4-1和第二夹具4-2具体为可调节的爪形夹具，分别由第一位移台7-1、第二位移台7-2调整位置，由第一步进电机3-1、第二步进电机3-2控制旋转，使得镀膜窗口片5和石英玻璃管6能够紧密贴合，且窗口片5内柱能恰好卡在石英玻璃管6主管内。
焊接时，通过控制超短脉冲激光器1的激光焊接参数，在不损坏镀膜窗口片5增透膜的前提下对石英玻璃管6和镀膜窗口片5进行焊接，焊接完一个焊点后，控制两个步进电机3-1和3-2，使石英玻璃管6和镀膜窗口片5同步旋转，使激光光束聚焦点在待焊接区域连续移动，控制步进电机3-2，使夹持石英玻璃管6的爪形夹具连续缓慢旋转，以此来完成石英玻璃管6和镀膜窗口片5交界面的连续焊接和密封。
实施例2
本实施例提供了一种基于超短脉冲激光的原子气室制备方法，该方法基于实施例1的装置，原子气室由T型石英玻璃管和两个镀膜窗口片组成，T型石英玻璃管的两端开口(A、B)与两个镀膜窗口片进行飞秒超短脉冲激光焊接密封，如示意图2。其中，T型石英玻璃管由主管和支管组成，主管外径24mm，内径20mm，长度可根据需要的光程定制，支管位于主管中间，C端开口，外径4mm，内径2mm，长度50mm，支管，作为连接真空以及灌入原子气的接口。
镀膜窗口片由厚度4mm的同心圆柱组成，内圆柱直径20(-0.2)mm，刚好卡在主管内，而外圆柱直径25mm，盖在主管两侧端口。镀膜窗口片材质为石英玻璃，两侧根据镀795nm高透过率增透介质膜，使得透过率达到99.8％以上。原子气室由T型石英玻璃管和镀膜窗口片组成，T型石英玻璃管的两端开口(A、B)与镀膜窗口片进行飞秒超短脉冲激光焊接密封。
具体制作过程如图3所示，包括：
S1、准备待焊接的镀膜窗口片和石英玻璃管；具体包括：S101、获取未镀膜窗口片和石英玻璃管，并将未镀膜窗口片和石英玻璃管的端面打磨平整并抛光，达到可以光学接触的程度，即边缘至表面粗糙度达到几个纳米，平整度小于激光波长的四分之一；S102、依次用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗未镀膜窗口片和石英玻璃管；S103、烘干清洗后的未镀膜窗口片和石英玻璃管；S104、对烘干后的未镀膜窗口片两侧镀增透介质膜，介质膜为Ta2O5和SiO2，形成镀膜窗口片；
S2、调整第一夹具、第二夹具，使得第一夹具能紧密夹持住待焊接的镀膜窗口片、第二夹具能紧密夹持住待焊接的石英玻璃管；
S3、通过调整第一位移台、第二位移台位置，调整第一夹具、第二夹具位置，使镀膜窗口片和石英玻璃管对齐和贴紧；
S4、打开超短脉冲激光器，调整振镜扫描器，将超短脉冲激光器发射的飞秒脉冲激光束的聚焦焦点位于镀膜窗口片和石英玻璃管的接触面；
S5、每次焊接完一个焊点后，控制模块控制第一步进电机、第二步进电机使得石英玻璃管、镀膜窗口片匀速同步旋转，改变焊点位置，最终实现对石英玻璃管和镀膜窗口片的接触面的连续焊接，形成一圈封闭焊接区域；焊接时，调整所述超短脉冲激光器的激光焊接参数，使得在不损坏镀膜窗口片增透膜的前提下完成石英玻璃管和镀膜窗口片的焊接和密封；
S6、将两个镀膜窗口片和石英玻璃管的两端焊接密封，焊接完成，形成原子气室。
实施例3
本实施例位实施例2的进一步优化，加工的高品质原子气室为方形。本方法与实施例2其他部分一致，区别为：如图4所示，T型石英玻璃管的主管为两端开口的方柱形，直管为圆柱形。主管外径24mm，内径20mm，长度可根据需要的光程定制。支管外径4mm，内径2mm，长度50mm。镀膜窗口片由厚度4mm的同心长方体组成，内长方体直径20(-0.2)mm，刚好卡在主管内，而外长方体直径25mm，盖在主管两侧端口。石英玻璃管的四个面均可进行镀膜，和两端镀膜窗口片进行焊接密封后，空间3个维度6个面均可通光，且通光效率均可达到99.5％以上。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于超短脉冲激光的原子气室制备装置，其特征在于：包括超短脉冲激光器、振镜扫描器、工作台、第一位移台、第二位移台、第一夹具、第二夹具、第一步进电机、第二步进电机和控制模块，其中，所述超短脉冲激光器、振镜扫描器和工作台按照竖直方向从上到下依次固定，所述振镜扫描器用于将所述超短脉冲激光器发射的飞秒脉冲激光束进行聚焦，所述第一位移台和第二位移台分别设置在所述工作台两侧并可在所述工作台上移动，所述第一夹具固定在所述第一位移台上，并与第一步进电机连接，所述第二夹具固定在所述第二位移台上，并与第二步进电机连接，所述控制模块分别连接所述第一步进电机、第二步进电机，用于实现精确控制。
2.根据权利要求1所述的基于超短脉冲激光的原子气室制备装置，其特征在于：所述第一夹具和第二夹具体为可调节的爪形夹具，分别由第一位移台、第二位移台调整位置，由第一步进电机、第二步进电机控制旋转。
3.一种基于超短脉冲激光的原子气室制备方法，其特征在于：该方法采用权利要求1所述装置实现，具体包括步骤：
S1、准备待焊接的镀膜窗口片和石英玻璃管；
S2、调整第一夹具、第二夹具，使得第一夹具能紧密夹持住待焊接的镀膜窗口片、第二夹具能紧密夹持住待焊接的石英玻璃管；
S3、通过调整第一位移台、第二位移台位置，调整第一夹具、第二夹具位置，使镀膜窗口片和石英玻璃管对齐和贴紧；
S4、打开超短脉冲激光器，调整振镜扫描器，将超短脉冲激光器发射的飞秒脉冲激光束的聚焦焦点位于镀膜窗口片和石英玻璃管的接触面；
S5、每次焊接完一个焊点后，控制模块控制第一步进电机、第二步进电机使得石英玻璃管、镀膜窗口片匀速同步旋转，改变焊点位置，最终实现对石英玻璃管和镀膜窗口片的接触面的连续焊接，形成一圈封闭焊接区域；
S6、焊接完成，镀膜窗口片和石英玻璃管固定为一体，形成原子气室。
4.根据权利要求3所述的基于超短脉冲激光的原子气室制备方法，其特征在于：S1具体包括步骤：
S101、获取未镀膜窗口片和石英玻璃管，并将未镀膜窗口片和石英玻璃管的端面打磨平整并抛光，达到可以光学接触的程度；
S102、依次用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗未镀膜窗口片和石英玻璃管；
S103、烘干清洗后的未镀膜窗口片和石英玻璃管；
S104、对烘干后的未镀膜窗口片两侧镀增透介质膜，形成镀膜窗口片。
5.根据权利要求3所述的基于超短脉冲激光的原子气室制备方法，其特征在于：步骤S5中焊接时，调整所述超短脉冲激光器的激光焊接参数，使得在不损坏镀膜窗口片增透膜的前提下完成石英玻璃管和镀膜窗口片的焊接和密封。
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