CN108333909A - 冷原子全光选态装置 - Google Patents

Abstract

一种冷原子全光选态装置，包括从上至下依次连接的真空法兰、光选态区、磁光阱和腔体基座；在冷原子喷泉钟开始工作时，基于磁光阱冷却，陷俘获得冷原子团并且在冷原子团上抛过程中同时进行钟态制备。本发明不仅大大增加了钟态原子数密度，还缩短了整钟的高度从而极大缩短间歇钟的死时间，从而达到缩短周期，提高冷原子钟短期稳定度的目的。本装置结构简单，易于实现，可作为激光冷原子钟的核心装置。

Description

冷原子全光选态装置

技术领域

本发明涉及激光冷却，以及光抽运技术，特别是一种主要用于冷原子钟，钟态制备的装置。

背景技术

伴随着空间冷原子钟的升空，我国成为世界上第一个在轨运行空间冷原子钟的国家。基于卫星导航，深空探测等需求。冷原子钟已经不仅仅是时间装置，它作为科学实验的研究以及工程应用的平台，被世界各国积极研究应用。冷原子钟在我们日常生活，以及科学研究中扮演着越来越重要的角色。

磁光阱，主要是基于激光冷却技术。原子在静磁场与光场的混合力阱作用下被冷却。磁光阱的发明给激光冷却与原子陷俘带来了极大便利，不仅仅技术简单易实现，还很容易获得温度足够低，足够数目(一般是10⁷～10¹⁰)的冷原子。如图5所示，磁光阱的光场主要由三个正交方向的σ⁺-σ^-驻波场组成，磁场由一对半径相同的反赫姆霍兹线圈提供。原子在三个维度的方向上都被减速，从而被冷却陷俘。

选态又称作原子态制备，是冷原子钟一项关键技术。上抛的冷原子团均匀地分布在基态的各个磁子能级上，然后通过微波，微波-光等办法把选取到某一态上，通常我们称作为钟态。然后进行原子继续飞行穿过Ramsey腔，经过探测，反馈控制能程序，从而获得钟信号。

通常的选态方式，微波-光选态基于⁸⁷Rb工作介质是将基态|F＝2,m_F＝0>磁子能级上的原子利用微波π脉冲转移到另一个基态磁子能级|F＝1,m_F＝0>，再通过选态光将基态|F＝2,m_F≠0>上的原子打跑。只留下|F＝1,m_F＝0>的原子继续飞行。

上述选态系统，包含微波以及光学两部分，装置复杂，具体应用过程中也有诸多问题：

1)原子利用率很低。对⁸⁷Rb来说，直接损失率为4/5。这不利于钟信号信噪比的提高；

2)结构复杂，多出一个微波腔，增加了钟的整体长度，间歇钟的死时间，从而增加了钟的周期，降低了钟的短期稳定度；

3)包含微波腔，钟整体体积，重量都是严重的考验，更加不利于钟的小型化。

发明内容

为了克服上述现有微波-光选态系统的缺陷，本发明提供一体化设计的冷原子全光选态装置，该装置中基于激光冷却与光抽运技术，实现冷原子钟的全光选态。采取光选态方案，较之前微波-光选态方案原子数理论上提高数倍，有效原子利用率达到100％。另外简洁的结构替代了之前选态腔的结构，缩短了间歇钟的死时间，缩短了钟周期，从而提高了钟短期稳定度。另外简化物理系统，省去一个选态微波腔，有利于减重及空间应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种冷原子全光选态装置，是基于光抽运以及激光冷却原理一体化设计的真空腔体，特点在于：包括从上至下依次连接的真空法兰、光选态区、磁光阱和腔体基座；

所述的光选态区为立方体腔体，该立方体腔体的四周面分别设有窗口，外接光学接头，用于馈入Pump光和Repump光，立方体腔体的上下端面分别设有绕制有磁场线圈的槽口；

所述的磁光阱为十四面体腔体，由正方体沿着每条边的中线切割去掉八个顶角后在原正方体六个面剩余部分打孔掏穿而成，形成腔体。原正方体六个面分别设有窗口，外接冷却光组件。

本发明中圆形磁场线圈槽，可以绕制反亥姆霍兹线圈，用来提供选选态偏置磁场。

所述的窗口安装有密封玻璃窗。

所述的玻璃窗上镀有780nm波长的增透膜。

基于⁸⁷Rb工作介质。如图1所示，冷原子团在上抛以后在选态磁场中，同时经过π偏振的Pump(失谐光)光跟Repump(共振光)光，受Pump光作用原子从|F_g＝2>跃迁到|F_e＝2>,由于跃迁角动量选择定则|F_g＝2M_F＝0>的态为暗态。原子在其他|F_e＝2M_F≠0>的态将退激发到|F_g＝2M_F＝0>的暗态，但同时也会退激发到|F_g＝1>的磁子能级上。再经过Repump光，将|F_g＝1>原子激发到|F_e＝2>的态，又退激发到|F_g＝2M_F＝0>的暗态。从而将原子制备到|F_g＝2M_F＝0>的钟态上。

本发明的技术效果在于：

1)本发明由用于冷却原子的真空十四面体与光选态腔构成。较之前微波-光选态腔该结构可满足小型化的要求，具有结构简单，易于安装，性能稳定的特点；

2)实验上对⁸⁷Rb来说原子利用率达到87％，理论上很大程度提高了钟信号的信噪比；

3)本发明装置由于压缩了激光冷却系统和冷原子选态系统的长度，缩短了钟整体长度，间歇钟的死时间，从而减小了钟周期，提高了钟短期稳定度。

附图说明

图1是全光选态原理图

图2是一体化设计的选态真空十四面体三维视图

图3是一体化设计的选态真空十四面体前视图

图4是选态光光路设计图

图5磁光阱采用(1,1,1)配置抛射原理示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1。图1是全光选态原理图。光抽运过程中需要外部磁场将基态的磁子能级分的足够开，实验中我们设置抽运区偏置磁场为20μT。由图可见，我们选用F_g＝2→F_e＝2的π跃迁作为作为抽运光(Pump)，选用F_g＝1→F_e＝2的π跃迁作为抽运重泵光(Repump)。抽运光失谐是Δ_P，抽运重泵光为共振光。由于跃迁选择定则，|F_g＝2M_F＝0>到|F_e＝2M_F＝0>是禁戒跃迁，因此抽运光使的F_g＝2上其他磁子能级上的原子被激发到相应F_e＝2磁子能级上，并通过自发辐射回到基态。因此总有一部分原子落到|F_g＝2M_F＝0>暗态上被收集。抽运重泵光则使得F_g＝1上的原子包括自发辐射回落到F_g＝1态上的原子都抽到F_e＝2上，保证抽运过程的持续进行。直到几乎所有原子都布局到暗态上。

参阅图2以及图3。图2是一体化设计的选态真空十四面体三维视图，图3是一体化设计的选态真空十四面体前视图。如图所示，一种冷原子全光选态装置主要有两部分构成，分别是俘获冷却原子的磁光阱十四面体以及选态区部分。下部分主要是由用来连接铷源以及安装底座的基座6以及冷原子喷泉钟俘获冷却原子的磁光阱十四面腔体5构成，腔体上开孔主要是用来安装冷却光组件，每个窗口都用镀有780nm波长增透膜的玻璃窗口密封。上部分是全光选态腔体。这部分包括绕制选态偏置磁场的槽口2、4，以光选态腔体3。光选态腔体是一个四面开窗的立方体，立方体尺寸是63.5mm×63.5mm×50mm，四面分别是设置选态Pump光还有与Pump光垂直入射的选态重泵Repump光外接件窗口。窗口中间都是直径为20mm的通光孔，同样用镀有780nm波长增透膜的玻璃窗口密封。装置最上边是用来连接后续微波腔体的真空法兰1，一体化的设计不仅仅大大缩减了整个部件的体积，重量。还能很大程度上保证真空度的稳定。这都有利于最终钟的运行。

参阅图4。图4是选态光以及选态重泵光外接件光路示意图。光纤引出的光经过前期的透镜准直后，先经过二分之一波片，这使得光束极大地透射分光PBS，经过45度反射镜反射后得到垂直方向偏振的抽运光束。另外经过PBS反射的小部分光，我们采用黑卡纸遮挡。

参阅图5。图5是磁光阱工作及采用采用(1,1,1)配置抛射示意图。由图所示，磁光阱主要由三个正交方向的σ⁺-σ^-驻波场提供的光场与一对反赫姆霍兹线圈提供的静磁场构成的混合阱。原子在混合阱中被冷却陷俘，并通过瞬间调节磁光阱三个正交方向的光束的失谐，完成原子团的定速抛射，腔体采用(1,1,1)配置抛射方式。

本发明具体使用方法是：

原子气体充满整个腔室，在磁光阱区混合力阱作用下陷俘冷却，制备超冷原子团，超冷原子团被瞬间改变失谐的冷却光垂直定速抛射。抽运光与抽运重泵光从图2以及图3的选态区窗口垂直打入。在选态偏置磁场的作用下，基态磁子能级分裂；在彼此垂直入射的Pump光还有Repump光作用下，最终绝大部分冷原子被制备到|F_g＝2M_F＝0>的钟态上。整个过程提高了冷原子的利用率，从而间接的提高了最终钟信号的信噪比。一体化的设计大大缩小了冷原子喷泉钟的体积，大大缩短了间歇钟的死时间，有利于冷原子喷泉钟的短期稳定度的提高。简化的物理系统，大大缩小了喷泉钟的重量，这也有利于空间应用。

Claims (3)

1.一种冷原子全光选态装置，其特征在于，包括从上至下依次连接的真空法兰、光选态区、磁光阱和腔体基座；

所述的光选态区为立方体腔体，该立方体腔体的四周面分别设有窗口，外接光学接头，用于馈入Pump光和Repump光，立方体腔体的上下端面分别设有绕制有磁场线圈的槽口；

所述的磁光阱为十四面体腔体，由正方体沿着每条边的中线切割去掉八个顶角后在原正方体六个面剩余部分打孔掏穿而成，形成腔体。原正方体六个面分别设有窗口，外接冷却光组件。

2.根据权利要求1所述的冷原子全光选态装置，其特征在于，所述的窗口安装有密封玻璃窗。

3.根据权利要求2所述的冷原子全光选态装置，其特征在于，所述的玻璃窗上镀有780nm波长的增透膜。