CN100478809C - 提高小型原子束光频原子钟性能的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高小型原子束光频原子钟性能的方法及设备，属于光频段频率标准技术领域。该方法包括：增加一与原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光作原子检测；原子运动到检测区与增加的激光作用后，每个原子发出成千上百个自发辐射的光子，被光电接受系统探测。由于利用变换能级检测法，即利用原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光来作检测，将原来的原子检测效率提高了很多，从而保证每个需要检测的原子可以被测量到。

Description

提高小型原子束光频原子钟性能的方法及设备
技术领域
本发明属于光频段频率标准技术领域，具体涉及一种实现高性能小型原子束光频原子钟的方法及其设备。
背景技术
传统型小型钙原子束光频标准的原理为：钙炉加热温度到700摄氏度，热钙原子束从钙炉中喷射出来，经过准直后顺次通过平行且等间隔的两对猫眼装置产生的657nm激光行波场。在Ramsey相互作用区加上适当的磁场以分开3P1态不同的磁子能级。钙炉出来的1S0基态原子在Ramsey相互作用区受657nm的π偏振激光激发，凡被激发到3P1态mF＝0子能级的原子会通过自发辐射跃迁发出657nm荧光。在原子束流的下游，用光电检测器来测量处于激发态的原子自发辐射跃迁发出的657nm荧光，传统型小型钙原子束光频标准的结构如图1所示。
迄今为止所有基于热原子束技术的光频原子钟毫无例外地受限于很低的荧光信号的信噪比，从而无法提高稳定性，最终也限制了可以达到的准确度。钙原子束光频原子钟目前所能达到的最好准确度略比5071小铯钟差，所以不能与5071小铯钟竞争。其根本原因在于所被利用来检测的657nm钟跃迁后原子自发辐射的机率很低，约一千个光子每秒，加上检测的有限荧光收集面积，使得对原子的检测效率低到仅是1％左右。如此之低的原子的检测效率极大地限制了可以实现的原子钟的准确度和稳定度。
发明内容
本发明克服现有基于原子束技术的光频原子钟技术的不足，提供一种实现高性能小型原子束光频原子钟的方法及其设备。
本发明的技术内容：一种提高小型原子束光频原子钟性能的方法，包括：
增加一与钙或镁原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光作原子检测，增加的检测激光束与钙或镁原子钟的原子束呈夹角，调节检测激光的频率和线宽，或激光束的发散角，选择一定速度群的原子进行检测，利用预先泵浦技术，先将钙或镁原子泵浦到钟跃迁的激发态，钙或镁原子运动到检测区与增加的激光作用后，每个钙或镁原子发出成千上百个自发辐射的光子，被光电接受系统探测。
利用变换能级检测法，即利用原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光来作检测，以钙原子为实例是波长为423nm的激光在检测区激发钟跃迁的1S0基态原子到原子单重态的第一激发态1P1，这个态的原子自发辐射的几率很高，高到每个原子每秒辐射三千四百万个光子。从而保证每个需要检测的原子100％可以被测量到。对镁原子是利用285nm激光检测。
利用与原子束方向呈夹角的检测激光束在原子束型光频原子钟上进行选择一定速度群的原子检测的检测方案，提高信号条纹对比度以增加信噪比。
利用预先泵浦技术，先将原子泵浦到钟跃迁的激发态，实现基于原子受激电磁波发射过程的新型原子束型光频原子钟。
原子束流置于真空腔室内。
一种高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，包括：一真空腔体，真空腔体内设有原子炉、原子束准直器，泵浦激光器、与原子束垂直的由两个全反镜和两个透镜组成的猫眼光路，检测激光，钟激光，光电检测装置，伺服电路，配套的磁场线圈及其控制电路在作用区产生磁场来分开激发态的塞曼子能级。钙或镁原子束从控温后的原子炉喷出，准直后，进入作用区以单作用区或多作用区形式与钟跃迁激光作用，此后，钙或镁原子运动到检测区与检测激光作用后，每个钙或镁原子发出成千上百个自发辐射的光子，被光电接受系统探测，输出误差信号给从钟跃迁激光从而可以锁定钟激光，实现光频原子钟。其中，检测激光为与原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光。
配备的相应伺服控制电路控制整个原子钟系统的所有激光的输出频率。
真空腔体设有若干个光窗，用于激光的输入和输出。
本发明的技术效果：本发明由于利用变换能级检测法，将原来的原子检测效率提高了很多。即利用原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光来作检测，以钙原子为实例是波长为423nm的激光在检测区激发钟跃迁的1S0基态原子到原子单重态的第一激发态1P1，这个态的原子自发辐射的机率很高，高到每个原子每秒辐射三千四百万个光子。从而保证每个需要检测的原子100％可以被测量到。其次，由于利用了与原子束方向呈夹角的检测激光束在原子束型光频原子钟上进行选择一定速度群的原子检测的检测方案，提高信号条纹对比度从而增加了信噪比。第三，由于利用预先泵浦技术，先将原子泵浦到钟跃迁的激发态，从而可以实现基于原子受激电磁波发射过程的新型原子束型光频原子钟。由于信噪比的极大提高，以此技术实现的钙束光频原子钟在稳定度上将比5071小铯钟好两个数量级，在准确度上好一个数量级。因此，本发明与目前所有的原子束型光频原子钟相比，主要有以下三个特有的优点：
一、将原来只有1％左右的原子检测效率提高到约100％。
二、通过调节检测激光的频率和线宽，或激光束的发散角，来选择一定速度群的原子进行检测，从而可以准确标定与多普勒效应相关的原子钟钟跃迁频率的频移。这提供了一种提高原子束型光频原子钟准确度的技术。
三、可以实现基于原子受激电磁波发射过程的新型原子束型光频原子钟。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为传统的原子束型光频标准结构示意图；
图2为高性能小型原子束光频原子钟的结构示意图；
图3为与钙原子光频标准相关的能级示意图；
图4为经过泵浦区后不同速度原子在钟跃迁能级的基态和激发态的布居机率示意图。
1-原子炉；2-真空腔体；3-移频器；4-钟跃迁激光又简称钟激光(对钙原子是657nm)；5-检测激光(对钙原子是423nm)；6-系统伺服电路；7-猫眼光路结构透镜一和透镜二；8-粒子束；9-光电检测器；10-光拦准直器；11，12-全反镜；13-泵浦激光束；14-钟跃迁激光；15-挡光器。
具体实施方式
下面以钙原子为实施例进行具体实施方式的说明，必须指出本发明不限于钙原子，可以是其他原子或分子，如镁原子。
钙金属小块被放在炉钟，被加温到650摄氏度左右，钙原子从小细管中喷射出来形成原子束，最可几速度约800米每秒。先说明没有预先泵浦的结构。
从炉中喷射出来形成钙原子束处于基态，然后在作用区以单作用区或多作用区形式与钟跃迁657nm激光作用，部分原子受激发到3P1态，这些被激发的原子离开作用区后通过自发辐射的形式发射各向同性的荧光，但这种自发辐射率是400赫兹，或者说在速度约800米每秒的原子在平均寿命期漂移约20厘米。传统的方法是检测这种657nm微弱荧光，信噪比很低。在本发明中，如图1所示，在检测区有一束423nm的激光激发基态原子到1P1态，被激发到1P1态的原子会在平均时间5纳秒左右发射一个光子回到基态。这表示在2厘米的检测区，每个基态的原子可以自发辐射五千个光子。从而保证在检测区的光电检测器可以检测到任何经过检测区的基态原子。通过调制钟跃迁657nm激光，被光电接受系统探测到的信号经由检相器，滤波器和放大后其输出误差信号把钟跃迁657nm激光锁定在钙原子的657nm跃迁谱上，而最终实现光频钙原子钟。
接着要说明的是有预先泵浦的结构。从炉中喷射出来形成钙原子束处于基态，在进入作用区前先与一束657nm泵浦激光作用，调节此泵浦激光功率以满足π脉冲跃迁，使得最可几速度附近的原子被泵浦到3P1激发态。然后在作用区以单作用区或多作用区形式与钟跃迁657nm激光作用，基于受激辐射过程部分原子受激后回到基态。这些被受激回到基态的原子离开作用区后，如图1所示，在检测区被一束423nm的激光激发基态原子到1P1态，与前面以说明的情形一样，被激发到1P1态的原子会在平均时间5纳秒左右发射一个光子回到基态，表示在2厘米的检测区，每个基态的原子可以自发辐射五千个光子。从而保证在检测区的光电检测器可以检测到任何经过检测区的基态原子。通过调制钟跃迁657nm激光，被光电接受系统探测到的信号经由检相器，滤波器和放大后其输出误差信号把钟跃迁657nm激光锁定在钙原子的657nm跃迁谱上，而最终实现光频钙原子钟。
简言之，有无预先泵浦的结构的主要区别是在作用区是原子受激吸收与受激发射的区别。
如图2所示，在利用与原子束方向呈夹角的检测激光束在原子束型光频原子钟上进行选择一定速度群的原子检测的检测方案时，通过调节检测激光的频率和线宽，或激光束的发散角，来选择一定速度群的原子进行检测，从而可以准确标定与多普勒效应相关的原子钟钟跃迁频率的频移。在这提供了一种提高原子束型光频原子钟准确度的技术。原子束方向与检测激光束之间夹角的大小可以按具体所需进行适当的调节，以达到最佳的原子钟性能。
对于粒子束流可以通过机械狭缝或小光拦以及利用激光冷却技术减小束流介质的横向速度分布来减小多普勒效应引起的谱线加宽和移动。
通过调节外加电磁场的均匀性来减小环境电磁场不均匀和波动引起的谱线加宽和移动。原子束流强度由炉体温度控制决定，可以通过调节粒子束流强度来调接信噪比。
检测激光锁在原子束的荧光谱上。这种在泵浦激光束之前的激光器5的荧光谱结构不会影响钟的任何性能。
本发明实现的高性能小型原子束光频原子钟的结构，参见图2，下面进行描述：
发明主要包括由离子泵维持着高真空的真空腔体2，原子炉1，准直缝10，泵浦激光13，激光全反镜11、12，控制电路6。真空腔体的适当位置开有必要的光窗一便激光束5，13，14通过。原子束8由原子炉1加热后产生。加热丝的电流和原子炉1的温度由控制电路6所调节。钟激光由激光器4产生，3是移频器。7是透镜。检测器9的信号输出后来控制钟激光器4。15为挡光器。
该发明需在高真空腔体2中实现。真空腔体中的高真空度长期要求由其相连的离子泵来维持。真空腔体2的适当位置开有所需要的光窗，以便激光偶合时输出输入真空腔体2。也可在真空腔体内部装置光纤，由光纤偶合输出激光。
在高真空腔体有能够产生原子束的原子炉1。原子炉的温度决定于所用的原子，所需的原子流量等因素。
在真空腔体2内部与原子束8方向垂直的交叉位置放置由全反镜11和12，以及透镜7构成的猫眼光路系统，并由相应的精细调节机械装置来调节。
高性能小型原子束光频原子钟的结构各部件的连接关系，功能作用，和必要要求条件：
高真空腔体2及其相连的离子泵是用来保证图1所示的整个高性能小型原子束光频原子钟能长期工作于高真状态，真空度优于10-6乇。
真空管的长度可小于50厘米。离子泵的体积小于一升。总之，以真空管体积与离子泵的抽速的协调来满足真空度优于10-6乇的要求。
由原子炉1的炉体温度和炉口孔的面积来决定我们可利用的原子束的流量，即单位时间有多少原子可供利用。炉孔由长细管构成。长细管管长0.5至2厘米，管径0.1至0.5毫米，具体据原子束的流量与发散角等要求而定。为了加大流量而不至于同时加大发散角，可由长细管阵列组成炉孔。
原子束从高温的原子炉经由炉孔喷出来后，进一步准直，可用小孔光拦10。也可利用激光冷却原理对原子束的横向发散进行激光准直。
参考图3，准直后原子束接着进入泵浦区与泵浦光13作用。泵浦光13的功能是将处于基态的原子泵浦到激发态。激发后基态和激发态原子速度分布如图4所示，即有77％的原子被泵浦到激发态。
泵浦光13的光源可用腔稳的半导体激光器来提供。泵浦光13的频率是锁定在需要的原子谱特定值上，由电路6实现。
最后，对于这种高性能小型原子束光频原子钟可能作出并未脱离所附权利要求书限定的本发明范围的各种变更和改型。更具体地说，必须认识到，本发明并不限于具体一种原子的一条跃迁谱线，而适用于任何具有相似能级结构的原子或分子，以及离子，只要这种粒子具有线宽较小可以用于光频原子钟，有相关的对应能级可以用本发明中的技术以实现高效率的检测。

Claims (7)

1、一种提高小型原子束光频原子钟性能的方法，包括：
增加一与钙或镁原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光作原子检测，增加的检测激光束与钙或镁原子钟的原子束呈夹角，调节检测激光的频率和线宽，或激光束的发散角，选择一定速度群的原子进行检测；
利用预先泵浦技术，先将钙或镁原子泵浦到钟跃迁的激发态；
钙或镁原子运动到检测区与增加的激光作用后，每个钙或镁原子发出成千上百个自发辐射的光子，被光电接受系统探测。
2、一种高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，包括：一真空腔体，真空腔体内设有原子炉、泵浦激光器、与原子束垂直的由两个全反镜和两个透镜组成的猫眼光路，检测激光，钟激光，光电检测装置，伺服电路，钙或镁原子束从原子炉喷出，准直后，进入泵浦区与泵浦光作用，然后以单作用区或多作用区形式与钟跃迁激光作用，此后，钙或镁原子运动到检测区与检测激光作用后，钙或镁原子发射大量荧光被光电接受系统探测，其特征在于：检测激光为与钙或镁原子钟跃迁能级相关的一个强跃迁线对应的激光。
3、如权利要求2所述的高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，其特征在于：伺服电路系统控制钙或镁原子钟输出频率的性能。
4、如权利要求2所述的高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，其特征在于：检测激光和钟激光器配备频率自动控制电路。
5、如权利要求2所述的高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，其特征在于：真空腔体内设有小孔光拦，用于准直原子束。
6、如权利要求2所述的高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，其特征在于：真空腔体设有若干个光窗，用于激光的输入和输出。
7、如权利要求2所述的高性能小型原子束光频钙或镁原子钟，其特征在于：真空腔室内的真空度小于10-6乇。
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