李巍伟，陈 江，肖玉华，刘志栋，涂建辉

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

激光冷却原子技术在真空计量与时间频率标准等精密测量领域有广泛的应用。利用单模光纤的柔性传输特性简化光路是冷原子装置小型化和集成化的必要选择[1-2]。单模光纤的模场直径一般为5～10µm，仅为多模光纤的十分之一[3-4]，由此增加了激光束和单模光纤之间的耦合难度，使耦合效率的提升成为冷原子装置小型化必须解决的重要问题。

耦合效率是耦合进单模光纤的能量与总能量的比值，耦合的实质是高斯光模场与单模光纤中激光传输模场之间的模式匹配[5]。在耦合面的同一空间位置，这两个模场均为类高斯分布，它们的振幅和相位越相近耦合效率越高。在实际的单模光纤耦合光路中，不仅模式匹配难以达到理想的匹配值，还因为单模光纤纤芯细，耦合透镜的衍射和像差会使高斯光的模场产生振幅衰减和不规则的畸变，造成耦合效率的损失。

耦合透镜的像差是限制单模光纤耦合效率提升的重要因素[6]。目前单模光纤普遍使用工艺成熟，成本低廉的球面镜作为耦合透镜，球面像差为主要像差，会严重影响耦合效率。如果不考虑像差因素，只考虑模式匹配，理论上理想耦合效率能超过80%[7]，但在实际中，单透镜的耦合效率往往只有20%～30%[8]，其原因除了实际透镜难以达到理想模式匹配的要求外，还有耦合透镜的像差和衍射效应引起的耦合效率损失[9]。……