过去几十年来，人们对超冷原子及其独特性质的研究兴趣持续增长。尽管在早期，冷却过程本身是主要挑战，但现在这些超冷系统（例如玻色-爱因斯坦凝聚体）的非凡特性正激励着全球的研究人员以前所未有的精度进行深入探索。实践证明，光纤耦合设备是此类实验的有力工具，因为它带来了更高的稳定性和便利性。针对不同量子光学实验在准直等方面的多样化需求，市场上已涌现出多种专门设计的光纤准直器（图1）。这些准直器包括：集成四分之一波片的光纤准直器，用于直接产生圆偏振光；采用变形光学的光纤准直器，用于产生椭圆光束。
图 1：具有椭圆光束轮廓的光纤准直器 冷却过程以及实验研究本身都高度依赖于利用光对原子进行的成功操控。这对所使用设备的质量和稳定性提出了严格要求。一种被广泛应用的有效冷却和捕获方法是磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）。磁光阱需要将频率高度稳定、线宽极窄的激光辐射，从最多六个不同方向射入真空腔体。磁光阱有多种类型，例如用于铷原子（Rb）的磁光阱（工作波长780 nm）、用于钾原子（K）的磁光阱（767 nm），或者用于锶原子（Sr）的磁光阱。 光束传输可以通过使用光纤端口集群来实现。这是一种紧凑的光机单元，它能将从一根或多根保偏（Polarization-Maintaining, PM）光纤（在780 nm波长下，偏振消光比 PER > 26 dB）输入的激光辐射，以高效率且可变的分光比，分成一路或多路输出的保偏光缆。光纤端口集群通常采用级联的旋转半波片与偏振分束器相结合的结构，作为辐射分光机制。图 2：光纤端口集群 保偏光纤作为激光器与极其灵敏的实验环境之间的一个明确接口。这种物理上的分离实现了机械和热学的解耦，避免了对激光源和实验产生的任何负面相互影响。 当激光从保偏单模光纤射出后，发散的 Gaussian 光束被准直并射入真空腔体。最佳的准直焦距由实验所需的光束直径决定，可以通过标称数值孔径 NA（通常由制造商在 Gaussian 光束的 1% 或 5% 强度水平上定义）来计算，或者使用光纤的有效数值孔径 NAe2 和目标光束直径（两者均在 13.5% 或 1/e² 强度水平上定义）来获得更精确的数值。 例如，当使用 NAe2 为0.09（或标称 NA 为 0.11）的光纤时，采用 2.7 mm 至 200 mm 的焦距，可以产生 0.5 mm 至 36 mm 的光束直径。集成的倾斜机制允许将光束轴对准光学轴，从而避免因光束被截断和准直光束的渐晕而产生的衍射。如果需要，准直器可以由无磁性的钛材料制成。
集成四分之一波片的光纤准直器
磁光阱（MOT）中冷却和捕获机制所需的圆偏振辐射，可以通过使用直接集成四分之一波片的光纤准直器来提供（图3）。 该波片被集成在发散光束中，并且可以相对于线偏振输入光进行旋转，从而产生右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。 例如，可以使用偏振分析仪来分析旋转过程中产生的偏振态，该分析仪会将当前的偏振态连续映射在庞加莱球上。在这种表示法中，线偏振态位于赤道上，而圆偏振光则位于两个极点。图 3：集成四分之一波片的光纤准直器。通过使用专用工具旋转四分之一波片，可以产生右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。该旋转对应于庞加莱球上的“8”字形轨迹。 如图3所示，四分之一波片旋转一整圈，对应于庞加莱球上的一个“8”字形轨迹。在两个极点处产生圆偏振光，其中右旋圆偏振光位于北极，左旋圆偏振光位于南极。如果光学元件的实际相位延迟量偏离了期望值，那么其极端值将无法达到两个极点。 光纤准直器中所用的相位延迟光学元件的特性，对最终输出偏振光的质量起着重要作用。可能的误差来源包括温度变化、不同的入射角以及波长变化。可供选择的波片有零级、低阶、多级或复合零级波片，它们对这些误差来源的敏感程度各不相同。 波片相位延迟量随波长的变化率，以及随温度的变化率，都与波片自身的总延迟量成正比。因此，与多级波片（总延迟量 > 1）相比，真正的零级、复合零级或低阶波片通常对温度或波长变化的敏感度更低。 真正的零级波片通常对入射角变化的敏感度也最低。对于放置在数值孔径（标称NA）为 0.11 的光纤发出的发散光束中的四分之一波片而言，其入射角（在 5% 强度水平上）的范围约为 ±6.2°。对于这样小的角度，相位延迟量随入射角的变化非常微小，通常可以忽略不计或进行校正。
二向色光纤准直器
某些类型的磁光阱（例如锶原子磁光阱）需要使用多个输入波长来运行。如果所需波长差异过大，以至于辐射无法通过单根保偏光纤传输，此时就会采用二向色光纤准直器进行准直。 其光学方案（图4）展示了两个输入激光耦合器（用于准直输入光束）、二向色合束以及单路准直光束的扩束过程。即便对于这类准直器，也可以使用适当的二向色四分之一波片来产生圆偏振光束，这种波片能够同时为两个波长产生圆偏振光。图4：二向色光纤准直器。两束输入光束被准直，然后通过二向色合束器进行合束，最后被扩束至所需的光束直径。
椭圆光束光纤准直器
在偶极阱这一特殊应用中，需要使用具有椭圆形横截面的激光束。这可以通过集成了变形光束扩束器的光纤准直器来实现，它能产生椭圆长宽比高达3:1的光束，如图5所示。其原理是：首先将光束准直，然后利用正柱面透镜和负柱面透镜组合，对光束的一个轴进行扩束并重新准直。最后，使用一个望远镜系统将光束扩束至所需的尺寸。如果需要，也可以将四分之一波片集成到这些光纤准直器中。图 4：集成变形光束整形光学元件的光纤准直器，用于产生具有椭圆形横截面的准直高斯光束。这类光纤准直器主要用于偶极阱中。
结论
使用光纤可以显著提升测量装置的稳定性和便捷性。对于磁光阱（MOT）而言，所需的不同光束可以通过光纤端口集群——一种紧凑且稳定的模块化单元——进行传输，该单元能将辐射光分入多根保偏光纤中。 为了满足不同实验的各种严格要求和高标准，我们专门设计了大批不同类型的光纤准直器，包括集成四分之一波片的准直器、二向色准直器，以及能产生椭圆光束轮廓的准直器。
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