一种双柱面多光程气室技术领域
本发明涉及一种双柱面多光程气室，属于原子气室制作技术领域、多光程气室制
作技术领域，适用于利用原子气室的量子无损检测、基础物理中对称性的测量、原子钟、光
泵磁强计以及基于无自旋交换弛豫状态的原子磁强计、原子陀螺仪等领域。
背景技术
线性偏振光和处于特定激发态的碱金属原子相互作用后，其偏振方向会发生变
化，产生一个光旋角信号。通过测量该光旋角可以解算出原子与光相互作用的信息。当激光
在气室中经过更长的光程后，就能产生更大的光旋角信号，即能进行更高灵敏度的测量。
目前实验室中常用到的多光程气室主要有White型气室和Herriott型气室及它们
的改进型。White型气室由一大两小三片共焦的凹球镜构成，可实现光束的多次折返传输，
调节比较简便但制造工艺复杂，镜面利用效率不高，难以小型化；Herriott型气室由两个平
行且同轴的等焦距凹面镜组成，入射光自透镜的一侧进入，经多次反射后射出，结构较简
单，但是无法灵活调节光程，镜面利用效率不高。
上述气室主要应用在痕量气体检测领域，而在量子调控和传感领域，不仅要求多
光程气室达到一定的反射次数以产生大光旋角，还要求多光程气室结构简单，易于调节，特
别是镜面和气室空间利用率要高，以便于气室的小型化。但目前尚未有相似的装置。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有多光程气室结构复杂、调节困难、镜面利用率
较低的不足，提供一种结构简单、调节方便且鲁棒性强、镜面利用率较高的用于产生大光旋
角信号的双柱面多光程气室。本发明提出一种结构简单、方便调节，镜面利用率高的多光程
气室，可增大光旋角信号，提高检测灵敏度。
本发明的技术解决方案为：利用圆柱面的几何性质设计一种双柱面多光程气室，
其组成部分主要包括：保偏光纤(1)、光纤耦合头(2)、光电二极管(3)、通光孔(4)、副柱面反
射镜(5)、可调节底座(6)、角度调节装置(7)、副反射镜固定底座(8)、距离调节装置(9)、气
室(10)、主柱面反射镜(11)。两个反射镜、可调节底座和调节装置均置于封闭的气室中。
主柱面反射镜(11)、副柱面反射镜(5)为具有相同柱面曲率的反射镜，两个反射镜
的中心线重合，曲面相对放置。其中主柱面反射镜(11)在中心开有通光孔。线偏振入射光线
通过保偏光纤和光纤耦合头转换为空间光入射。
主柱面反射镜(11)使用粘和剂固定并密封在气室内部，副柱面反射镜(5)与可调
节底座(6)相连接，通过角度调节装置(7)可以旋转副柱面反射镜(5)，改变主副反射镜柱面
轴线间的夹角；可调节底座(6)与副反射镜固定底座(8)相连接，通过距离调节装置(9)可以
改变主副反射镜间距离。光线在多光程气室中的反射次数由两反射镜之间的距离和光轴夹
角唯一确定。
整个反射镜系统和调节装置在调整好后密封在玻璃气室中，由于双柱面系统有很
好的鲁棒性，在系统使用过程中无需进行动态调整。
当系统处于工作状态时，入射光线经过保偏光纤(1)引入光纤耦合头(2)转换为空
间光，通过主柱面反射镜(11)中心的通光孔(4)进入气室(10)，经过多次反射后，激光与原
子发生多次相互作用，出射光可携带最大为94rad-106rad范围内的大光旋角信号从同一通
光孔(4)出射，由光电二极管(3)接收并做后续处理从而得到相应的光旋角信息并由此推算
得到原子气体状态信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在一般的普通气室中，光线只一次通过气室，因此只有很小一部分原子可以和
激光相互作用，降低了精密测量的灵敏度；而在多光程气室中，光束每次经过不同的路径，
不产生驻波，即光束不会和它本身重合，大部分情况是和不同的原子反应，因此本发明的多
光程气室有更大的有效反应容积。
(2)双柱面结构使光线在反射超过100次时仍具有很好的容错性和鲁棒性。将设置
好的反射镜在气室中密封，在使用过程中就不再需要任何动态调整。
(3)光在气室中的反射次数由两个柱面镜之间的距离和柱面轴线间夹角唯一决
定，可调节范围大，调节方便，鲁棒性强。
(4)双柱面结构产生的光斑呈密集分布，镜面利用率更大，便于进行小型化。
(5)通过保偏光纤和光纤耦合头引入入射光，便于气室的小型化和集成化。
(6)本发明整体结构简单，易于制作和装配。
附图说明
图1为本发明的三维整体示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的主视图；
图4为主副反射镜柱面轴线间的夹角示意图。
附图标记列示如下：1-保偏光纤、2-光纤耦合头、3-光电二极管、4-通光孔、5-副柱
面反射镜、6-可调节底座、7-角度调节装置、8-副反射镜固定底座、9-距离调节装置、10-气
室、11-主柱面反射镜、12-主柱面反射镜轴线、13-副柱面反射镜轴线平行线、14-副柱面反
射镜轴线、Θ-主副反射镜柱面轴线间的夹角。
具体实施方式
本发明提出一种双柱面多光程气室，通过调整两柱面镜之间的距离和柱面轴线夹
角，可以改变多次反射的次数。下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明，应理解
这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域
技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
如图1所示为本发明的三维整体示意图。双柱面光程气室包括保偏光纤1、光纤耦
合头2、光电二极管3、出射光线5、通光孔4、副柱面反射镜5、可调节底座6、角度调节装置7、
副反射镜固定底8、距离调节装置9、气室10、主柱面反射镜11。
具体实施步骤如下：
步骤1)、首先完成理论上的计算。计算出所需的反射镜间距和轴线间夹角。在本实
施例中，计算得到间距d＝23mm，通过改变光轴间夹角θ来观察反射光斑确定反射次数，进而
确定合适的夹角θ。
步骤2)、加工柱面反射镜。选择直径为12mm，柱面曲率为100mm，横截面为圆形的反
射镜两块，在其中一个反射镜中心加工直径为1.5mm的通光孔，该反射镜作为主反射镜。
步骤3)、装配可调节镜架。将未开孔的反射镜作为副反射镜，它与可调节底座6相
连接，通过角度调节装置7调节其与主反射镜轴线间角度，可调节底座6与副反射镜固定底
座8相连接，通过距离调节装置9改变主反射镜和副反射镜之间的距离。
步骤4)、装配气室。使用粘和剂将主柱面反射镜11安装在气室的一端，将带有调节
装置的副柱面反射镜5安装在另一端，通过预先计算的距离和角度调整好副反射镜后，将气
室密封。本发明在调整光程数时具有良好的容错性和鲁棒性，在使用过程中不需要任何动
态调整。
步骤5)、工作过程。入射光线经过保偏光纤1引入光纤耦合头2转换为空间光，通过
主柱面反射镜11中心的通光孔4进入气室10，经过多次反射后，激光与原子发生充分相互作
用，出射光携带大光旋角(大光旋角是最大为94rad-106rad的光旋角)。信号从同一通光孔4
出射，由光电二极管3接收并做后续处理从而得到相应的光旋角信息及原子气体状态信息。
总之，本发明这种双柱面结构多光程气室制作简单，调节方便，而且具有很好的鲁
棒性，镜面利用率较高。在多光程气室中，激光与原子气体相互作用后其偏振面会发生偏
转，经过100次以上的反射，产生大光旋角，可以提高利用原子气室的量子无损检测、基础物
理中对称性的测量精度以及原子钟、光泵磁强计和基于无自旋交换弛豫状态的原子磁强
计、原子陀螺仪等装置的灵敏度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。