Акустооптическое устройство частотно-фазового формирования конических двойных кольцевых полей для темных оптических ловушек Российский патент 2024 года по МПК G02F1/11 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к акустооптике. Оно может быть отнесено к оптическим ловушкам с синей отстройкой резонансных ансамблей холодных атомов.

Оптические ловушки находят широкое применение в атомной и квантовой физике для формирования и транспортирования ансамблей холодных атомов в атомных чипах, в атомных часах, гравиметрах, а также в областях биофизики для манипуляции отдельными клетками и ансамблями клеток. Принцип действия оптических ловушек основан на возникновении градиентных сил, формирующих потенциальные экстремумы для прозрачных частиц или резонансных атомов в неоднородном электромагнитном поле.

Последнее время уделяется большое внимание созданию, управляемых темных (полых) лазерных аксиально симметричных полей с двумя потенциальными стенками типа колбы термоса.

Известен способ формирования двухцветного кольцевого лазерного поля и устройство для его осуществления (варианты) (патент RU 2785799 С1, опубликован 13.12.2022). Способ генерации двухцветных кольцевых лазерных полей заключается в том, что на акустооптический фильтр пространственных гармоник подают одновременно две радиочастоты f₁ и f₂ и сфокусированный пучок лазерного излучения с длинами волн λ₁ и λ₂. Пучки нулевого и первого порядков дифракции разделяются в пространстве, при этом радиочастота f₁ выбирается так, чтобы на длине волны λ₁ фазовый синхронизм акустооптического взаимодействия выполнялся на конической поверхности с углом раствора θ₁, а на радиочастоте f₂ и на длине волны λ₂ - на конической поверхности с углом раствора θ₂. Двухцветная передаточная функция акустооптического фильтра в сечении, ортогональным распространению лазерного поля имеет форму кольца для каждой из длин волн λ₁ и λ₂.

Устройство генерации двухцветных лазерных кольцевых полей состоит из двух лазеров с длинами волн λ₁ и λ₂, оптической системы объединения лазерных пучков первого и второго лазеров в единый двухцветный пучок, входной оптической системы, акустооптического фильтра пространственных частот, выходной оптической системы.

Недостатком данного устройства является то, что оно требует двух различных лазерных источников с разными длинами волн λ₁ и λ₂ для создания системы полых двойных кольцевых оптических полей с двумя различными длинами волн. Вариант единственного полихроматического непрерывного или импульсного (фемтосекундного) лазера имеет недостатком низкую энергетику, поскольку две узкие спектральные линии берутся из широкого спектрального континуума. Другим недостатком для технологии синих ловушек является одновременная и красная и синяя отстройка кольцевых оптических полей от атомного резонанса, соответственно, противоположный знак потенциалов, что ограничивает применение в темных оптических ловушках с синей отстройкой, где основная идея заключается в том, чтобы окружить темную область отталкивающим потенциалом и увеличить плотность ансамбля холодных атомов.

От этого недостатка свободно оптическое устройство, формирующее лазерные двойные конические кольцевые поля для темных оптических ловушек с синей отстройкой на основе двух различных аксиконов и бинарного фазового элемента. Входящий лазерный гауссов пучок с помощью аксиконов трансформируется в коллимированный полый с кольцевым поперечным сечением. Далее этот пучок проходит через бинарный фазовый элемент, состоящий из концентрических фазовых колец с разницей фаз π между последующими кольцами, создавая таким образом радиальную решетку с равномерным шагом. После бинарного фазового элемента возникает дифракционная картина, состоящая из двух полых конусов, полностью окружающих темную область (Kaplan А., Friedman N., Davidson N. Optimized single-beam dark optical trap // J. Opt. Soc. Am. B. -2002.-V. 19, N.6.- P. 1233).

Экспериментальное устройство в вышеуказанной работе является прототипом заявляемого устройства. Прототип имеет следующие принципиальные недостатки: механическую перестройку оптических элементов, а не оптоэлектронную для изменения радиусов кольцевых полей; недостатком является принципиальная невозможность формирования двойных кольцевых потенциалов аксиальной симметрии с синей динамической отстройкой для увеличения плотности ансамбля атомов.

Технической задачей изобретения является создание динамически управляемого трехмерного одночастотного лазерного поля для синих ловушек с конической формой области захвата, ограниченной двойной потенциальной оболочкой, состоящей в поперечном сечении из двух аксиально симметричных колец.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможностей трехмерного электронного управления радиусами и углом при вершине одночастотного лазерного поля, формирующего коническую зону захвата, с быстродействием до 100 кГц.

Технический результат достигается следующим образом.

Устройство формирования лазерных конических двойных кольцевых полей состоит из последовательно расположенных на общей оптической оси телескопа, Фурье-линзы, неколлинеарного акустооптического фильтра пространственных частот и поляризатора, а также первой и второй электрических согласующих цепей, двухканального блока управления с программируемой разностью фаз δ между выходными высокочастотными сигналами. Указанный акустооптический фильтр содержит двулучепреломляющий акустооптический кристалл, входную оптическую грань, боковую акустическую грань, выходную оптическую грань, первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи, выполненные из кристалла ниобата лития и присоединенные к акустической грани последовательно вдоль оптической оси устройства так что направление сдвига в кристаллах ниобата лития ортогонально оптической оси устройства. Ось пропускания поляризатора ортогональна оптической оси устройства и параллельна поляризации первого порядка дифракции в акустооптическом фильтре, выход первого канала блока управления соединен с первым пьезопреобразователем акустооптического фильтра через первую согласующую цепь, выход второго канала блока управления соединен со вторым пьезопреобразователем акустооптического фильтра через вторую согласующую цепь.

Также акустооптический кристалл неколлинеарного акустооптического фильтра является монокристаллом парателлурита, причем входная оптическая грань, боковая акустическая грань и выходная оптическая грань параллельны кристаллографической оси (110).

Кроме того, выходная оптическая грань повернута вокруг кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита относительно входной оптической грани в сторону акустической грани так, что дифрагированные конические лазерные пучки распространяются параллельно оптической оси устройства, а ось пропускания поляризатора ортогональна кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита.

Кроме того, выходная оптическая грань повернута вокруг кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита относительно входной оптической грани в сторону от акустической грани так, что дифрагированные конические лазерные пучки распространяются параллельно оптической оси устройства, а ось пропускания поляризатора параллельна кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита.

Также, первый и второй пьезопреобразователи одинаковые.

Помимо этого, первый и второй пьезопреобразователи имеют одинаковые размеры, срез кристалла и направления сдвига в кристаллах ниобата лития, развернутые на 180°.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема экспериментальной реализации заявляемого устройства, созданного на основе монокристалла парателлурита, на фиг. 2 показана эволюция изображений двух оболочек (двух колец) в ортогональном сечении полого конуса лазерного излучения с двойными стенками, полученная экспериментально при частотно-фазовом управлении фильтром пространственных гармоник.

На чертежах обозначены 1 - монохроматический лазерный пучок; 2 - ось оптической системы; 3 - телескоп; 4 - Фурье-линза; 5 - входная оптическая грань неколлинеарного акустооптического фильтра пространственных гармоник; 6 - неколлинеарный акустооптический фильтр пространственных гармоник; 7 - кристалл парателлурита; 8 - первый пьезопреобразователь; 9 - второй пьезопреобразователь; 10-акустическая грань; 16 - первая согласующая система; 17 - вторая согласующая система; 11 - двухканальный драйвер, генерирующий ВЧ-радиосигналы одинаковой частоты и амплитуды с программируемой разницей фаз δ и поступающие через первую согласующую системы 16 и вторую согласующую систему 17 на первый пьезопреобразователь 8 и на второй пьезопреобразователь 9, формирующие комплексное акустическое поле в акустооптическом кристалле 7; 12 - выходная оптическая грань фильтра пространственных частот 6; 13 - экран; 14 и 15 - дифракционная картина, определяемая частотой генератора ƒ и разницей запрограммированных фаз δ между двумя каналами драйвера 11; 18 - поляризатор для блокирования остаточного потока нулевого порядка; 19-23 - фотографии эволюции интенсивностей дифракционных полей.

Реализация изобретения.

В акустооптическом устройстве формирования лазерных полых конических двойных кольцевых полей применен новый тип управления акустооптическим фильтром пространственных гармоник: фазовое управление с быстродействием не менее 100 кГц. При этом к известному, частотному, управлению добавляется независимое управление разницей фаз δ акустических полей, излучаемых пьезопреобразователями 8 и 9, в акустооптическом фильтре 6, и, соответственно, формирующее трехмерную аппаратную пространственную функцию с новым функционалом. При этом трехмерная архитектура поверхности экстремумов брегговского синхронизма имеет форму двойных аксиально-симметричных конусов с совпадающими вершинами.

Устройство формирования полых двойных конических потенциалов состоит из установленных вдоль распространения лазерного излучения 1 телескопа 3 и Фурье-линзы 4, обеспечивающей широкий угловой спектр лазерного излучения, направляемого на неколлинеарный акустооптический фильтр 6 пространственных гармоник из кристалла 7 парателлурита с двумя сдвиговыми пьезопреобразователями 8 и 9 из ниобата лития, расположенными на акустической грани 10. На пьезопреобразователи 8 и 9 от двухканального блока управления 11 поступают два ВЧ-радиосигнала идентичной амплитуды и частоты ƒ, но с программируемой разностью фаз δ, формирующее суммарное комплексное акустическое поле в акустооптическом фильтре 6 пространственных гармоник. Отличие акустооптического фильтра 6 пространственных гармоник с фазовым управлением от фильтра с обычным частотным управлением заключается в том, что вообще говоря, эти два устройства имеют различные аппаратные пространственные функции вследствие комплексного характера акустического поля. Аппаратная пространственная функция обычного фильтра (без фазового управления) является кольцевым конусом, соответствующей одному максимуму аппаратной спектральной функции этого же фильтра, а аппаратная пространственная функция фильтра 6 с фазовым управлением, вообще говоря, может состоять из двух осесимметричных кольцевых конусов, соответствующих двум максимумам аппаратной спектральной функции этого же фильтра при работе в противофазе δ=π. В заявляемом устройстве пространственный спектр дифрагированного лазерного излучения представляет собой два аксиально симметричных пространственных экстремума в виде полых конусов, разделенных темным промежутком. При этом поляризация дифрагированного излучения ортогональна поляризации падающего излучения. Остаточный пучок нулевого порядка блокируется поляризатором 18.

Заявленный технический результат достигается за счет безынерционного управления ВЧ-радиосигналом с программируемой разницей фаз с быстродействием не менее 100 кГц, вследствие фокусировки коллимированного излучения Фурье-линзой 4. Быстродействие определяется временем пробега фронта акустической моды в кристалле 7, на которой происходит дифракция, через лазерное поле, необходимым для переключения фильтра пространственных гармоник из состояния с одним значением величиной амплитуды и (или) фазы акустического сигнала в состояние с другим величинием амплитуды и (или) фазы. В неколлинеарных акустооптических фильтрах эта величина обычно не превышает 10 мкс.

Таким образом достигается требуемый технический результат; принципиальным моментом является то, что заявляемое устройство формирования позволяет динамически увеличивать плотность ансамбля атомов, например, захватывая их трехмерной ловушкой большого объема (кольца раздвинуты) и затем динамически уменьшая этот объем до минимального (кольца сдвинуты), определяемого пространственным разрешением гармоник углового спектра.

Для проверки изобретения был разработан и изготовлен пространственный акустооптический фильтр 6 с частотно-фазовым управлением на основе монокристалла парателлурита и создана экспериментальная установка для визуализации полых конических лазерных пучков, генерируемых фильтром.

Схема экспериментальной установки, созданной для реализации изобретения показана на фиг. . Монохроматический лазерный пучок 1 распространяется вдоль оси 2 оптической системы, расширяется телескопом 3, фокусируется Фурье-линзой 4, пройдя через входную оптическую грань 5 неколлинеарного акустооптического фильтра 6 пространственных частот, внутри кристалла 7 парателлурита. Неколлинеарный акустооптический фильтр 6 имеет два пьезоэлектрических преобразователя 8 и 9, имеющих одинаковую ориентацию и размер кристаллов ниобата лития. На пьезопреобразователи 8 и 9 через согласующие системы 16 и 17 поступают ВЧ-радиосигналы одинаковой частоты от двухканального драйвера 11 с фазовым управлением, имеющие программируемую разницу фаз δ и формирующие комплексное акустическое поле в акустооптическом кристалле 7. Сфокусированный лазерный пучок 1 испытывает дифракцию на ультразвуковом поле и выходит из неколлинеарного акустооптического фильтра 6 через наклонную выходную грань 12. После преломления на выходной грани 12 дифрагированное поле распространяется параллельно оптической оси 2 устройства. Поляризатор 18 убирает остаточный пучок нулевого порядка. На экране 13 наблюдается дифракционная картина 14 и 15, определяемая частотой генератора ƒ и разницей фаз δ между двумя независимыми каналами драйвера 11.

Аппаратная функция неколлинеарного акустооптического фильтра 6 пространственных гармоник с фазовым управлением на основе монокристалла парателлурита, вообще говоря, характеризуется двумя пространственными максимумами брегговского синхронизма в отличие от одного пространственного максимума брегговского синхронизма при обычном управлении. Это связано с наличием в области акустооптического взаимодействия ультразвуковых полей с различными фазами. В случае если разность фаз δ между управляющими ВЧ-радиосигналами равна π, пьезопреобразователи 8 и 9 излучают ультразвук противофазно и пространственная аппаратная функция разделяется на два максимума на различных ВЧ-частотах и порождает два полых осесимметричных конических пучка. В случае, если разность фаз δ между управляющими сигналами равна нулю, пьезопреобразователи 8 и 9 излучают ультразвук синфазно и пространственная аппаратная функция сливается в одну, соответствующую аппаратной функции пространственного акустооптического фильтра без фазового управления, с одним пьезопреобразователем, генерирующему полые конические лазерные пучки.

Сдвиговые пьезопреобразователи из кристаллов ниобата лития существуют в двух различных срезах кристалла: Х-срезе и 163°Y-срезе. Для Х-среза кристалла направление сдвига составляет угол минус 48,75° с положительным направлением оси Y в плоскости YZ. Для 163°Y-среза направление сдвига составляет угол 73° с положительным направлением оси Y в плоскости YZ.

Конструктивные параметры, изготовленного пространственного акустооптического фильтра с частотно-фазовым управлением на основе монокристалла парателлурита следующие. Ориентация акустической грани кристалла 7 составляет α0=12,45° в плоскости (1-10). Пьезопреобразователи 8 и 9 выполнены из ниобата лития Х-среза и имеют одинаковую ориентацию сдвиговых осей, параллельную кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита 7. Идентичные согласующие системы 16 и 17 обеспечивают рабочий диапазон частот фильтра от 112 до 160 МГц, обрабатывающий спектральный диапазон длин волн λ от 0,61 до 0,83 мкм. В экспериментах источником служил He-Ne лазер на длине волны λ=0,6328 мкм. Входной лазерный пучок был поляризован параллельно кристаллографической оси (110) кристалла 7, то есть являлся обыкновенной волной. Дифрагированный лазерный пучок после акустооптического фильтра был поляризован ортогонально кристаллографической оси (110) кристалла 7, то есть являлся необыкновенной волной. После акустооптического фильтра был установлен тонкопленочный поляризатор 18, ось пропускания которого была ортогональна кристаллографической оси (110) кристалла 7. Частота некритического брэгговского синхронизма пространственного фильтра в отсутствии разности фаз δ=0 составляла 153,35 МГц. В экспериментах драйвером 11 служил двухканальный управляющий программируемый генератор N8241A (Keysight, USA). Эксперименты проводились в диапазоне некритического фазового синхронизма при различной разнице фаз δ от 0 до 3π/2 в диапазоне управляющих частот от 153,6 до 154,2 МГц. Время пробега акустической волны через сечение лазерного пучка в акустооптическом фильтре 6 составило величину 3,6 мкс, что обеспечивает быстродействие экспериментального прототипа не хуже 270 кГц.

Последовательная экспериментальная эволюция пространственной аппаратной функции фильтра от одиночного кольца большого радиуса 19 до узкого зазора между двумя кольцами 23 показана на фиг. 2. В таблице 1 приведены экспериментальные частотно-фазовые параметры ВЧ управляющего сигнала для демонстрации варианта эволюции области захвата на фиг. 2.

Параметры дифракции: частота генератора/и разность фаз 5 даны в таблице 1.

Представленный пример экспериментальной визуализации последовательной эволюции проекции двойной конической кольцевой структуры лазерного поля при частотно-фазовом управлении прототипом заявляемого устройства демонстрирует требуемую синергию от добавления независимого фазового управления к обычному частотному. Ансамбль атомов захватывается в большом объеме пространства конической ловушкой 19 с одной синей потенциальной оболочкой, но в результате пространственной трансформации области захвата ансамбль атомов оказывается в значительно меньшем объеме между двумя коническими синими оболочками 23 и приобретает большую плотность. Тем самым экспериментально достигнут технический результат заявленного изобретения и решена техническая задача изобретения.

Использование: для формирования лазерных конических двойных кольцевых полей. Сущность изобретения заключается в том, что устройство формирования лазерных конических двойных кольцевых полей состоит из последовательно расположенных на общей оптической оси телескопа, Фурье-линзы, неколлинеарного акустооптического фильтра пространственных частот и поляризатора, а также первой и второй электрических согласующих цепей, двухканального блока управления с программируемой разностью фаз δ между выходными высокочастотными сигналами. Указанный акустооптический фильтр содержит двулучепреломляющий акустооптический кристалл, входную оптическую грань, боковую акустическую грань, выходную оптическую грань, первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи, выполненные из кристалла ниобата лития и присоединенные к акустической грани последовательно вдоль оптической оси устройства. Ось пропускания поляризатора ортогональна оптической оси устройства и параллельна поляризации первого порядка дифракции в акустооптическом фильтре, выход первого канала блока управления соединен с первым пьезопреобразователем акустооптического фильтра через первую согласующую цепь, выход второго канала блока управления соединен со вторым пьезопреобразователем акустооптического фильтра через вторую согласующую цепь. Технический результат: обеспечение возможности трехмерного электронного управления радиусами и углом при вершине одночастотного лазерного поля, формирующего коническую зону захвата, с быстродействием до 100 кГц. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство формирования лазерных конических двойных кольцевых полей, состоящее из последовательно расположенных на общей оптической оси телескопа, Фурье-линзы, неколлинеарного акустооптического фильтра пространственных частот и поляризатора, а также первой и второй электрических согласующих цепей, двухканального блока управления с программируемой разностью фаз δ между выходными высокочастотными сигналами, причем указанный акустооптический фильтр содержит двулучепреломляющий акустооптический кристалл, входную оптическую грань, боковую акустическую грань, выходную оптическую грань, первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи, выполненные из кристалла ниобата лития и присоединенные к акустической грани последовательно вдоль оптической оси устройства, направление сдвига в кристаллах ниобата лития ортогонально оптической оси устройства, ось пропускания поляризатора ортогональна оптической оси устройства и параллельна поляризации первого порядка дифракции в акустооптическом фильтре, выход первого канала блока управления соединен с первым пьезопреобразователем акустооптического фильтра через первую согласующую цепь, выход второго канала блока управления соединен со вторым пьезопреобразователем акустооптического фильтра через вторую согласующую цепь.

2. Устройство по п. 1, в котором акустооптический кристалл неколлинеарного акустооптического фильтра является монокристаллом парателлурита, причем входная оптическая грань, боковая акустическая грань и выходная оптическая грань параллельны кристаллографической оси (110).

3. Устройство по п. 2, в котором выходная оптическая грань повернута вокруг кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита относительно входной оптической грани в сторону акустической грани так, что дифрагированные конические лазерные пучки распространяются параллельно оптической оси устройства, а ось пропускания поляризатора ортогональна кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита.

4. Устройство по п. 2, в котором выходная оптическая грань повернута вокруг кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита относительно входной оптической грани в сторону от акустической грани так, что дифрагированные конические лазерные пучки распространяются параллельно оптической оси устройства, а ось пропускания поляризатора параллельна кристаллографической оси (110) кристалла парателлурита.

5. Устройство по пп. 1-4, в котором первый и второй пьезопреобразователи одинаковые.

6. Устройство по пп. 1-4, в котором первый и второй пьезопреобразователи имеют одинаковые размеры, срез кристалла и направления сдвига в кристаллах ниобата лития, развернутые на 180°.