CN107783412A - 双光子跃迁铷原子钟 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双光子跃迁铷原子钟，微波跃迁采用Δm＝2基态F＝1,mF＝‑1到F＝2,mF＝1或F＝1,mF＝1到F＝2,mF＝‑1双微波光子跃迁作为钟跃迁频率，而非传统的Δm＝0的基态F＝1,mF＝0到F＝2,mF＝0单微波光子跃迁。在魔术磁场处，双微波光子跃迁的一阶塞曼频移等于0，二阶塞曼频移系数小于0‑0跃迁；频移为负kHz量级，抵消缓冲气体引起的正向频移；减小了外界杂散磁场起伏对铷原子钟稳定度的影响。双光子跃迁铷原子钟包括压控晶振、微波频率综合器、射频信号源、量子鉴频模块、微处理器和补偿模块；在量子鉴频模块中，射频场、微波场和激光场为轴向，静磁场垂直于轴向，实现Δm＝2的钟跃迁。本发明可以提高铷原子钟的稳定度和准确度。
Description
技术领域
本发明属于原子钟技术领域，特别涉及一种双光子跃迁铷原子钟。
背景技术
原子钟是量子物理学与电子学高度结合的产物，是波谱学在技术应用最突出的成就之一。以它为基础的时间频率测量的相对精度和准确度远远超过其他物理量测量的精度，为此人们常常把其他物理量，如长度、温度、电压等设法转换成频率(时间)来进行测量以提高其精确度。原子钟不仅在导航、通讯、定位等方面有着广泛的应用，而且也是测定物理常数和检验物理理论(如量子电动力学、相对论等)的精密实验的必要工具。
其中应用最为广泛的铷原子钟，具有体积小、价格低、预热快、功耗小等特点，是一种传统的实用性原子频标。为了减小外界环境对原子钟的影响，选择对磁场不敏感的基态塞曼子能级跃迁作为钟频。对于铷原子，选择F＝2,mF＝0到F＝1,mF＝0跃迁频率作为钟跃迁频率，见图1，F表示基态超精细能级，mF表示塞曼磁子能级。在轴向加一弱静磁场，实现铷原子基态的塞曼子能级分裂，其相对于磁场B一阶塞曼频移0，钟跃迁频率与磁场B的关系为：f＝f0+574B2，其中f0为没有扰动时铷原子基态的跃迁频率。
铷原子钟采用铷气室作为工作介质，为了压窄微波跃迁的线宽，提高原子的相干时间，铷气室中充有惰性气体作为缓冲气体。通过缓冲气体与碱金属原子的弹性碰撞，将原子限制在与微波波长相当的空间中，增加原子的相干时间，得到远远小于多普勒线宽的跃迁谱线。但碰撞引起碱金属原子波函数相位的移动，从而在微波跃迁频率中引入频移，称为气压频移。气压频移取决于缓冲气体的种类和温度，通过选用两种合适的气体可以大大减小气压频移。实际实验中，在有限的温度范围内，缓冲气体频移可以表示为温度的二次函数，即ΔνBG＝Ps(β'0s+δ'0sΔT+γ'0s(ΔT)2)[A.Godone,F.Levi,S.Micalizio,Coherent PopulationTrapping Maser,Edizioni C.L.U.T.-Torino,2002]，其中Ps＝P1+P2为两种混合缓冲气体的总气压。β'0s、δ'0s和γ'0s分别是混合缓冲气体的气压系数、线形温度系数和二次温度系数，这些参量可通过下式计算得：βi，δi，γi分别为对应缓冲气体的气压系数、线性温度系数和二次温度系数，r为两种气体的气压比P2/P1。其中ΔT＝(T-T0)，T为工作温度，T0为参数测量的参考温度。
在铷原子频标中常用氮气和氩气作为缓冲气体，因为其混合气体有两个优点：一、氮气和氩气有相反的线形温度系数，可以减小频率的温度敏感性。在特定的工作温度下，可以找到一个合适的气压比r来完全消除温度系数，即二、缓冲气体中的氮气对激发态发射的荧光具有淬灭作用，可以避免光学厚原子汽室中的辐射囚禁，辐射囚禁会降低光抽运的效率。理论计算在25乇，微波频移与温度的关系和频移温度系数与气压比的关系见图2(a)和图2(b)，当缓冲气体比例为60℃时，微波频移随温度的一阶系数为0，此时气压频移为4.5kHz，且随着缓冲气体压强和温度改变，使得铷原子钟的输出频率准确度非常差；且缓冲气体频移的温度敏感性严重限制了铷原子钟的中长期稳定度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双光子跃迁铷原子钟，以解决上述技术问题。本发明以Δm＝2基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1双微波光子跃迁作为钟跃迁频率(见图3)，降低钟跃迁频率的塞曼系数；通过双微波光子跃迁频移与缓冲气体频移抵消，提高铷原子钟的稳定度和准确度。本发明为卫星导航、通信、精密测量提供了高性能的原子钟。
本发明的原理：在现有的铷原子钟物理模块，采用Δm＝2的双微波光子跃迁作为钟频率，光探测方式测量跃迁原子数。实验中所选用的基态能级如图3所示，以基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1的双微波光子跃迁作为跃迁频率。
87Rb原子基态的塞曼分裂可以用“Breit-Rabi”公式表示：
对F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1跃迁频率相对于磁场B求一阶微分的零点，得到魔术磁场值B＝3.235Gs，此时双微波光子跃迁的一阶塞曼频移系数为0。钟跃迁频率偏移为：-4.51kHz，双微波光子跃迁能级F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1跃迁频率与磁场B的关系为：
γ＝γ0-4.506kHz+431.3597(B-B0)2 (2)
其中B0为魔术磁场。对F＝1,mF＝0到F＝2,mF＝0跃迁频率相对于磁场B求一阶微分的零点，得磁场为B＝0，F＝1,mF＝0到F＝2,mF＝0跃迁频率与磁场B的关系为：
γ＝γ0+574B2 (3)
对单光子跃迁和双微波光子跃迁的塞曼频移见图4。与单微波光子跃迁相比，双微波光子跃迁的二阶塞曼频移系数较小，此外双微波光子跃迁，在魔术波长处存在着-4.5kHz的频移，与缓冲气体引起的频移相互抵消。因此创新性的将双微波光子跃迁应用于铷原子钟，在降低杂散磁场对铷原子钟影响的同时，采用双微波光子跃迁频移与缓冲气体频移抵消的方法，提高铷原子钟的准确度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
双光子跃迁铷原子钟，包括压控晶振、微波频率综合器、射频信号源、量子鉴频模块、微处理器和补偿模块；压控晶振的输入端与补偿模块的输出端相连，压控晶振的输出端分成两路完全相同的信号：第一路提供标准频率输出；第二路与微波频率综合器和射频信号源的输入端相连，作为其参考频率标准；微波频率综合器和射频信号源的输出端与量子鉴频模块的输入端电连接，射频场和微波场同时与量子鉴频模块中的铷原子相互作用，获得微波频率综合器和射频信号源相对于铷原子跃迁频率的偏差量；微处理器的输入端与量子鉴频模块的输出端电连接，微处理器的输出端与补偿模块的输入端相连，补偿模块的输出端与压控晶振的压控端口相连。
进一步的，微处理器对量子鉴频模块的输出信号进行处理运算，获得补偿电压的数字量；补偿模块将补偿电压的数字量转换为补偿模拟电压信号；补偿模块输出的补偿模拟电压信号输入到压控晶振的压控端口，实现对压控晶振的补偿，压控晶振的第一输出端口的标准频率精度和稳定度受控于量子系统，实现铷原子钟的闭环运行。
进一步的，量子鉴频模块包括依次设置的激光器、隔离器、扩束整形、物理模块和光电探测器；激光器的输出光依次经过隔离器和扩束整形，通过物理模块一端上开设的通光孔入射到物理模块，与物理模块中充有缓冲气体的铷泡相互作用，与原子相互作用后的透射光通过物理模块另一端上开设的出光孔入射到光电探测器，光电探测器也可以放置在物理模块内，微波腔外；光电探测器的输出端与微处理器电连接。
进一步的，物理模块包括磁屏蔽筒、射频线圈、微波腔、C场线圈、耦合环、充有缓冲气体的铷泡和加热元件；射频线圈、微波腔、C场线圈、耦合环和充有缓冲气体的铷泡设置于磁屏蔽筒内。
进一步的，磁屏蔽筒由外至内依次为外层磁屏蔽筒、中间层磁屏蔽筒和内层磁屏蔽筒；外层磁屏蔽筒和中间层磁屏蔽筒之间放置保温层；中间层磁屏蔽筒和内层磁屏蔽筒之间放置所述加热元件。
进一步的，加热元件用于对微波腔和充有缓冲气体铷泡的加热和温度控制，整个原子钟物理模块工作在铷泡的零温度系数处。
进一步的，最内层磁屏蔽筒内放置有射频线圈和C场线圈，其中射频线圈产生的射频场方向与入射激光方向和微波腔的轴向重合，C场线圈产生的静磁场与入射激光方向和微波腔的轴向垂直，使得射频场和微波腔内的微波场与原子的极化方向垂直，实现基态塞曼子能级Δm＝2钟跃迁。
进一步的，微波腔为TE011模式、TE111模式，或者其他类TE011模式的微波谐振腔；耦合环和铷泡在微波腔内，耦合环与微波频率综合器输出端共接，将微波频率综合器的微波信号馈入到微波腔内，实现微波场与铷泡内铷原子的相互作用，激励基态不同超精细能级之间塞曼子能级的Δm＝±1的σ跃迁。射频信号源与射频线圈电连接，在轴向产生一个射频场，实现射频场与铷泡内铷原子的相互作用，激励同一超精细能级的塞曼子能级Δm＝±1的σ跃迁。
进一步的，铷泡包括透明壳体，透明壳体内充有87Rb原子以及缓冲气体，缓冲气体为气压比为1:1.5的氮气和氩气的混合气体。
进一步的，物理模块采用亥姆霍兹线圈代替磁屏蔽筒，实现对地磁场的屏蔽；采用微波环形天线代替微波腔，直接将微波环形天线在空间辐射的微波场与原子相互作用；物理模块包括亥姆霍兹线圈、射频线圈、C场线圈、微波环形天线、充有缓冲气体的铷泡和加热元件；射频线圈、C场线圈、微波环形天线和充有缓冲气体的铷泡设置于亥姆霍兹线圈内。
进一步的，微波跃迁采用Δm＝2基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1或者F＝1,mF＝1到F＝2,mF＝-1双微波光子跃迁作为钟跃迁频率；原理相同，只是在原子制备时，原子的初始态不同，本发明中以Δm＝2基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1的钟跃迁为例进行详细说明。
双光子跃迁铷原子钟，其构成包括压控晶振、微波频率综合器、射频信号源、量子鉴频模块、微处理器、补偿模块，上述部件的连接如下：
所述的压控晶振的输入端与所述补偿模块的输出端相连，所述的压控晶振第一输出端提供标准频率输出，所述的压控晶振第二输出端与所述的微波频率综合器和所述射频信号源的输入端相连；
所述微波频率综合器模块和所述射频信号源的输出端与所述的量子鉴频模块的输入端相连；
所述的微处理器的输入端与所述的量子鉴频模块的输出端相连；
所述微处理器的输出端与所述补偿模块的输入端相连；
所述补偿模块的输出端与所述压控晶振的输入端相连；
所述量子鉴频模块包括半导体激光器，沿半导体激光器的输出方向依次是隔离器、扩束器、物理模块和光电探测器；
所述物理模块还包括微波腔、铷气室、耦合环、C场线圈、恒温单元和磁屏蔽，所述耦合环设置在所述微波腔中，所述C场线圈、所述恒温单元和所述磁屏蔽筒依次围设在微波腔的外围，其特征在于所述微波腔的磁场与C场轴线垂直；
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述物理模块，用亥姆霍兹线圈代替磁屏蔽，采用微波环形天线代替微波腔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
双光子跃迁铷原子钟，微波跃迁采用Δm＝2基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1双微波光子跃迁作为钟跃迁频率，而非传统的Δm＝0的基态F＝1,mF＝0到F＝2,mF＝0单微波光子跃迁。采用双微波光子跃迁有以下优点：1)对于该双光子微波跃迁，存在一个魔术磁场强度，与常用的0-0跃迁相同，在该磁场处，塞曼频移的一阶系数为0，为磁场二次方的线性函数，且线性系数小于0-0跃迁频率；2)最为重要的是，该双光子微波跃迁频率，在魔术磁场强度处，频移为负kHz量级，可以抵消缓冲气体引起的正向频移，从而提高铷原子钟的准确度；3)同时该魔术磁场为3.2Gs，可以减小外界杂散磁场起伏对铷原子钟稳定度的影响。采用双微波光子跃迁方式，该方案可以改善铷原子钟的稳定性，通过补偿缓冲气体引起的频移，可以提高铷原子钟的准确度。
附图说明
图1为传统铷原子钟基态子能级图；
图2(a)和图2(b)分别为工作温度和缓冲气体比例对频移的影响示意图；
图3为本发明双光子跃迁铷原子钟基态子能级图；
图4为单微波光子跃迁频移及双微波光子跃迁频移与磁场的关系图；虚线为单微波光子跃迁，实线为双微波光子跃迁；
图5为本发明一种双光子跃迁铷原子钟的环路图；
图6为图5所示量子鉴频模块的系统图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实施案例作进一步地详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图5所示，本发明双光子跃迁铷原子钟，包括压控晶振1、微波频率综合器2、射频信号源3、量子鉴频模块4、微处理器5和补偿模块6。
压控晶振1的压控输入端与补偿模块6的输出端相连，压控晶振1的输出端分成两路完全相同的信号：第一输出端提供标准频率输出，输出给用户作为参考或者测试；压控晶振1的第二输出端与微波频率综合器2和所述射频信号源3的参考输入端相连，作为其参考频率标准；
微波频率综合器2和射频信号源3的输出端与量子鉴频模块4的输入端电连接，与量子鉴频模块4中的铷原子相互作用，获得微波频率综合器2和射频信号源3相对于铷原子跃迁频率的偏差量；
微处理器5的输入端与量子鉴频模块4的输出端电连接，对量子鉴频模块4的输出信号(即微波频率综合器2和信号源3相对于量子系统的偏差量)进行处理运算，获得补偿电压的数字量；微处理器5的输出端与补偿模块6的输入端相连，将补偿电压的数字量转换为补偿模拟电压信号；补偿模块6的输出端与压控晶振1的输入端相连，补偿模块6输出的补偿模拟电压信号输入到压控晶振1的压控端口，实现对压控晶振的补偿，这样压控晶振1的第一输出端口的标准频率精度和稳定度受控于量子系统，实现铷原子钟的闭环运行。
请参阅图6所示，量子鉴频模块4包括依次设置的激光控制电路41、激光器42、隔离器43、扩束整形44、物理模块45和光电探测器46。
激光控制电路41与激光器42电连接，实现对激光器42的温度控制、电流控制和相对于铷原子跃迁的频率锁定，从而使激光器42输出频率锁定于铷原子的相干激光；
激光器42的输出光依次经过隔离器43和扩束整形44，通过物理模块45一端上开设的入光孔输入到物理模块45，与充有缓冲气体的铷泡456相互作用，与原子相互作用后的透射光通过物理模块45另一端上开设的出光孔入射到光电探测器46；
物理模块45包括磁屏蔽筒451、射频线圈452、微波腔453、C场线圈454、耦合环455、充有缓冲气体的铷泡456和加热线圈或者加热片457。射频线圈452、微波腔453、C场线圈454、耦合环455和充有缓冲气体的铷泡456设置于磁屏蔽筒451内。
磁屏蔽筒451有三层，用来屏蔽外界杂散磁场对铷原子钟跃迁信号的影响。磁屏蔽筒451由外至内依次为外层磁屏蔽筒4511、中间层磁屏蔽筒4512和内层磁屏蔽筒4513；外层磁屏蔽筒4511与中间层磁屏蔽筒4512之间放置保温层458；中间层磁屏蔽筒4512和内层磁屏蔽筒4513之间放置加热线圈或者加热片457。
加热线圈或者加热片457实现对微波腔453和充有缓冲气体铷泡456的加热和温度控制，一增加铷原子的密度，二使整个原子钟物理部分工作在铷泡的零温度系数处，减小外界温度起伏对铷原子钟稳定度的影响，提高铷原子钟的性能。
内层磁屏蔽筒4513内放置有射频线圈452和C场线圈454，其中射频线圈452产生的射频场方向与入射激光方向和微波腔453的轴向重合，C场线圈454产生的静磁场与入射激光方向和微波腔453的轴向垂直，使得射频场和微波腔内的微波场与原子的极化方向垂直，从而实现塞曼子能级之间Δm＝2的钟跃迁。
微波腔453可以是TE011模式，TE111模式，或者其他类TE011模式的微波谐振腔。
耦合环455和铷泡456在微波腔453内，耦合环455与微波频率综合器2的输出端共接，将微波频率综合器2的微波信号馈入到微波腔453内，实现微波场与铷泡456内铷原子的相互作用；
射频信号源3与射频线圈452电连接，获得轴向的射频信号，实现射频场与铷泡456内铷原子的相互作用；
铷泡456，内充有87Rb原子以及缓冲气体(氮气和氩气的气压比为1:1.5)，其材质可以为玻璃或者石英；
光电探测器46的输出端与微处理器5电连接，对光电探测器46的输出信号进行采集和计算，获得微波频率综合器2和射频信号源3与物理模块45中铷原子跃迁频率的频偏。
在本发明实施例的另一种实现方式中，物理模块45，用亥姆霍兹线圈代替磁屏蔽，采用微波环形天线代替微波腔453，实现微波场与原子的相互作用；
本发明双光子跃迁铷原子钟，采用Δm＝2基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1或F＝1,mF＝1到F＝2,mF＝-1双光子跃迁作为钟跃迁频率，工作在魔术磁场强度处，减小了磁场的线性系数，提高了铷原子钟的准确度，同时降低了外界杂散磁场对铷原子钟稳定度的影响。
Claims (10)
1.双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，包括压控晶振(1)、微波频率综合器(2)、射频信号源(3)、量子鉴频模块(4)、微处理器(5)和补偿模块(6)；
压控晶振(1)的输入端与补偿模块(6)的输出端相连，压控晶振(1)的输出端分成两路完全相同的信号：第一路提供标准频率输出；第二路与微波频率综合器(2)和射频信号源(3)的输入端相连，作为其参考频率标准；
微波频率综合器(2)和射频信号源(3)的输出端与量子鉴频模块(4)的输入端电连接，与量子鉴频模块(4)中的物理模块(45)的铷原子相互作用，获得微波频率综合器(2)和射频信号源(3)相对于铷原子跃迁频率的偏差量；
微处理器(5)的输入端与量子鉴频模块(4)的输出端电连接，微处理器(5)的输出端与补偿模块(6)的输入端相连，补偿模块(6)的输出端与压控晶振(1)的压控端口相连。
2.根据权利要求1所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，微处理器(5)对量子鉴频模块(4)的输出信号进行处理运算，获得补偿电压的数字量；补偿模块(6)将补偿电压的数字量转换为补偿模拟电压信号；补偿模块(6)输出的补偿模拟电压信号输入到压控晶振(1)的压控端口，实现对压控晶振(1)的补偿，压控晶振(1)的输出端口的标准频率精度和稳定度受控于量子系统，实现铷原子钟的闭环运行。
3.根据权利要求1所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，量子鉴频模块(4)包括依次设置的激光器(42)、隔离器(43)、扩束整形(44)、物理模块(45)和光电探测器(46)；激光器(42)的输出光依次经过隔离器(43)和扩束整形(44)，通过物理模块(45)一端上开设的通光孔输入到物理模块(45)，与物理模块(45)中充有缓冲气体的铷泡(456)相互作用，与原子相互作用后的透射光通过物理模块(45)另一端上开设的出光孔入射到光电探测器(46)；或者将光电探测器直接放置在物理模块(45)内部；光电探测器(46)的输出端与微处理器(5)电连接。
4.根据权利要求3所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，物理模块(45)包括磁屏蔽筒(451)、射频线圈(452)、微波腔(453)、C场线圈(454)、耦合环(455)和充有缓冲气体的铷泡(456)；射频线圈(452)、微波腔(453)、C场线圈(454)、耦合环(455)和充有缓冲气体的铷泡(456)设置于磁屏蔽筒(451)内。
5.根据权利要求4所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，磁屏蔽筒(451)由外至内依次为外层磁屏蔽筒(4511)、中间层磁屏蔽筒(4512)和内层磁屏蔽筒(4513)；外层磁屏蔽筒(4511)和中间磁屏蔽筒(4512)之间放置保温层(458)；中间层磁屏蔽筒(4512)和内层磁屏蔽筒(4513)之间放置所述加热元件(457)。
6.根据权利要求4所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，加热元件用于对微波腔(453)和充有缓冲气体铷泡(456)的加热和温度控制，整个原子钟物理模块工作在铷泡的零温度系数处。
7.根据权利要求4所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，最内层磁屏蔽筒(4513)内放置有射频线圈(452)和C场线圈(454)，其中射频线圈(452)产生的射频场方向与入射激光方向和微波腔(453)的轴向重合，C场线圈(454)产生的静磁场与入射激光方向和微波腔(453)的轴向垂直，使得射频场和微波腔内的微波场与原子的极化方向垂直，实现铷原子基态超精细能级F＝1-F＝2的塞曼子能级之间的Δm＝±1的σ跃迁，F表示基态超精细能级，m表示静磁场产生的塞曼子能级。
8.根据权利要求4所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，微波腔(453)为TE011模式、TE111模式，或者其他类TE011模式的微波谐振腔；耦合环(455)和铷泡(456)在微波腔(453)内，耦合环(455)与微波频率综合器(2)输出端共接，将微波频率综合器(2)的微波信号馈入到微波腔(453)内，实现微波场与铷泡(456)内铷原子的相互作用，激励基态不同超精细能级之间塞曼子能级的Δm＝±1的σ跃迁；射频信号源(3)与射频线圈(452)电连接，在轴向产生一个射频场，实现射频场与铷泡(456)内铷原子的相互作用，激励同一超精细能级的塞曼子能级Δm＝±1的σ跃迁；铷泡(456)包括透明壳体，透明壳体内充有87Rb原子以及缓冲气体，缓冲气体为气压比为1:1.5的氮气和氩气的混合气体。
9.根据权利要求3所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，物理模块(45)包括亥姆霍兹线圈、射频线圈(452)、微波环形天线、C场线圈(454)、充有缓冲气体的铷泡(456)和加热元件(457)；射频线圈(452)、微波环形天线、C场线圈(454)和充有缓冲气体的铷泡(456)设置于亥姆霍兹线圈内；加热元件(457)用于对充有缓冲气体的铷泡(456)进行加热；亥姆霍兹线圈用于实现对地磁场的屏蔽；微波环形天线用于产生轴向微波场。
10.根据权利要求1所述的双光子跃迁铷原子钟，其特征在于，微波跃迁采用Δm＝2基态F＝1,mF＝-1到F＝2,mF＝1，或者F＝1,mF＝1到F＝2,mF＝-1双微波光子跃迁作为钟跃迁频率。
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