[实用新型]一种用于单原子囚禁与操控的高数值孔径复消色差物镜

说明书

本实用新型公开了一种用于单原子囚禁与操控的高数值孔径复消色差物镜，属于中性原子量子计算与量子模拟领域。物镜透镜组包括沿光轴顺序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所有透镜均同轴地固定于黑色的镜筒内，物镜透镜组置于真空玻璃腔前且物镜透镜组的光轴与真空玻璃腔表面垂直，被囚禁在真空玻璃腔内的单原子位于物镜透镜组的像方焦点处。本实用新型不仅数值孔径高，能有效地对囚禁光强聚焦实现中性原子的强囚禁，而且在囚禁光、探测光、操控光波段实现了复消色差，能同时在间距为微米量级的中性原子阵列中进行高效的探测与高精度的操控。物镜透镜组全部由球面透镜组成，加工成本低，且能够适应不同厚度的真空玻璃腔。

技术领域

本实用新型涉及精密光学器件设计领域，更具体涉及基于中性原子的量子计算与量子模拟领域，尤其涉及一种用于单原子囚禁与操控的高数值孔径复消色差物镜，适用于对中性单原子或单原子阵列进行光偶极阱囚禁、探测及操控。

背景技术

强聚焦的光偶极阱（或光偶极阱阵列）能对中性单原子（或单原子阵列）进行有效地装载和囚禁，借助于这一技术，人们能在实验上获得很纯净且高度可控的量子体系，由此也促进了量子计算和量子模拟领域的蓬勃发展。光偶极阱一般都是通过高数值孔径物镜对远失谐囚禁光进行强聚焦而形成的，物镜也同时被用来收集原子的共振荧光实现对单原子的探测。由此可见，高数值孔径物镜是单原子实验系统中的重要组成部分，它的性能将直接影响单原子的操控精度。

单原子实验必须在超高真空环境下进行，所以在使用和设计物镜时必须考虑它与真空系统的兼容性问题。目前，共存在两种可行的解决方案。第一种方案是直接将一个小尺寸的高数值孔径非球面物镜安装在真空系统内，让原子的探测荧光和偶极囚禁光以近乎垂直的角度穿过真空玻璃。此方法的优点是真空玻璃对物镜性能的影响很小，物镜的结构简单，但由于物镜是提前安装在真空内部的，这样会牺牲系统的灵活性，增加系统装配和后续光路调节的难度，为了达到超高真空，物镜的组成材料在放气率和热膨胀系数方面都有比较严格的限制，而且更重要的是，单个非球面镜无法在囚禁光以及操控光的波长段消除轴向色差，从而会降低单原子的操控精度和探测效率。另一种方案则是将物镜放置在真空外使用，通过调节物镜的空间位置来选择原子的囚禁与探测区域。这样，物镜的调节和装配比较简单且不会增加真空系统搭建的复杂度，但由于真空玻璃处于物镜和被囚禁原子之间，它将引入额外的像差。因此，在保证系统调节灵活性的前提下，如何增大物镜数值孔径并消除物镜在囚禁光、探测光以及操控光波段的轴向色差是中性单原子实验普遍追求的目标，目前尚无文献和产品公开了能同时满足这些需求的物镜设计结构。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于针对目前中性单原子实验中的物镜设计问题，提供一种用于单原子囚禁与操控的高数值孔径复消色差物镜，适用于真空外使用的用于单原子囚禁与操控设计方案。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于单原子囚禁与操控的高数值孔径复消色差物镜，包括物镜透镜组，物镜透镜组包括沿同光轴顺序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，物镜透镜组固定于黑色的镜筒内，物镜透镜组置于真空玻璃腔前且物镜透镜组的光轴与真空玻璃腔表面垂直，被囚禁在真空玻璃腔内的单原子位于物镜透镜组的像方焦点处，所述第一透镜光焦度为负，所述第二透镜光焦度为正，所述第三透镜光焦度为正，所述第四透镜光焦度为正，且第二透镜光焦度、第三透镜光焦度、第四透镜光焦度，。

所述第一透镜包括沿物方至像方的方向，依次胶合设置的双凹透镜和第一双凸透镜；所述第二透镜包括沿物方至像方的方向，依次胶合设置的第二双凸透镜和负弯月透镜；所述第三透镜和第四透镜均为正弯月透镜。

所述第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三透镜、第四透镜的玻璃材料一致。

所述双凹透镜的黄光折射率满足：；

第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三透镜、第四透镜的黄光折射率和阿贝数相同，且均满足：负弯月透镜的黄光折射率满足：。