CN109031923A - 腔内冷却式原子钟 - Google Patents

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吕德胜
任伟
王新文
赵剑波
李琳
屈求智
汪斌
李唐
刘亮
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Abstract

一种腔内冷却式原子钟，包括高真空维持系统、微波谐振腔、磁屏蔽桶和二维磁光阱，本发明可以快速在微波腔内装载冷原子，通过控制微波开关、激光时序等对原子进行俘获、冷却、选态、探寻、探测等操控，实现高精度原子钟。本发明具有结构紧凑，抗环境干扰能力强，利用二维磁光阱快速装载原子极大减少原子钟的死时间，降低碰撞频移以及微波腔相移等优点，可以大幅提高钟跃迁信号的信噪比与频率稳定度。

Description

腔内冷却式原子钟
技术领域
本发明涉及冷原子钟，特别是一种腔内冷却式原子钟。
背景技术
高精度冷原子钟在卫星导航定位，网络同步，基本物理常数测量，广义相对论验证等方面都有极其重要的应用。
21世纪原子喷泉钟的发明使原子钟进入了一个新的时代。原子被冷却后向上抛射，受重力影响自由落体，在上抛和下落过程中分别经过同一个圆柱型微波腔，两次与微波腔内微波场相互作用。低速的冷原子可以与微波场有较长的相互作用时间从而导致较窄的共振线宽，从而拥有更高的频率准确度。如今铯原子喷泉钟是时间标准，频率准确度达到10^-16量级。
另一方面，在空间环境中，重力的影响几乎为0，原子团可以匀速经过微波场，在慢速抛射的情况下可以获得极长的相互作用时间从而获得更窄的共振线宽，有潜力得到比地面喷泉钟更高的准确度。由于没有重力影响，物理系统需要采用环形微波腔结构，冷原子团匀速顺序通过两个分离的微波场，这样会导致在地面运行设备时无法获得喷泉钟那么窄的共振线宽。
此外，还有一种使用漫反射激光冷却和分离振荡场的小型化积分球冷原子钟。其特点在原子冷却和微波作用在同一区域，原子在同一微波腔内由时序控制两次经历微波作用，优点是可以将物理系统的体积做得非常小。
限制上述原子钟稳定度的主要因素有Dick效应和量子投影噪声。为了降低Dick效应和量子投影噪声，我们希望冷原子钟在相同Ramsey线宽条件下运行时有较短的钟周期和死时间。同时在地面和空间环境中均能够获得很窄的Ramsey线宽。
发明内容
本发明提供一种腔内冷却式原子钟，使用二维磁光阱对铷原子进行俘获，并在一个圆柱型微波腔中对原子进行冷却、选态，相互作用以及探测。该腔内冷却式原子钟可以使空间冷原子钟物理系统结构更加紧凑，极大减少原子作用过程中死时间以及碰撞频移，提高原子钟的性能。并且可以应用于空间领域，更能体现出微重力的环境优势。
本发明的技术解决方案如下：
一种腔内冷却式原子钟，其特点在于，包括高真空维持系统、微波谐振腔、磁屏蔽桶和二维磁光阱(参见文献[1]Weyers S,Aucouturier E,Valentin C,et al.Acontinuous beam of cold cesium atoms extracted from a two-dimensionalmagneto-optical trap[J].Optics Communications,1997,143(1–3):30-34.[2]Dieckmann K,Spreeuw R J,Weidemüller M,et al.Two-dimensional magneto-opticaltrap as a source of slow atoms[J].Physical Review A,1998,58(5):3891-3895.)，所述的高真空维持系统包含离子泵、第一真空导管、第二真空导管和真空腔，所述的磁屏蔽桶由三层圆柱形屏蔽桶构成，所述的真空腔通过支架同轴地固定在所述的磁屏蔽桶内，所述的微波谐振腔为圆柱形，通过另一支架同轴地固定在所述的真空腔的中心，所述的真空腔通过第一真空导管与所述的离子泵相连，通过第二真空导管与所述的二维磁光阱相连，所述的微波谐振腔的侧壁半高处沿圆周等间距地开设有四个两两相对的激光通光口，每两个相邻激光通光口的中间位置开设有微波馈入口；该微波谐振腔的上端面中心处开设有上激光通光口，下端面中心处开设有下激光通光口，所述的六个激光通光口的轴线彼此垂直相交，所述的二维磁光阱俘获原子并将原子通过所述的第二真空导管推送至所述的圆柱形微波谐振腔中，原子在微波谐振腔中进行冷却，选态，微波相互作用和探测等原子钟物理过程。
所述的离子泵的抽速需要维持系统内真空度在10-8Pa。
所述的磁屏蔽桶由三层磁屏蔽构成，材质为坡莫合金。
所述的微波谐振腔的内腔尺寸保证微波工作在TE011模式下，四端馈入可以有效减小腔相移。
所述的二维磁光阱由两层磁屏蔽包围，用以减小磁场线圈对微波腔的影响。
所述的腔内冷却式原子钟进行冷原子操控的方法，包括如下步骤：
打开六束激光用于原子的冷却；然后关闭冷却激光，馈入微波并打开选态光进行选态作用；
然后关闭选态光，馈入微波进行原子和微波的第一次相互作用；
关闭微波并让原子自由扩散一段时间后，再次打开微波进行原子和微波的第二次相互作用；
关闭微波，打开探测光探测原子数。
本发明的技术优势如下：
1、将传统的冷原子钟物理系统的抛射原子来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，改进为通过时序控制激光和微波的打开时间来完成原子的选态及微波与原子两次相互作用。以传统空间冷原子钟物理系统为例，由于极慢的抛射速度导致原子匀速通过选态腔和探测腔的时间过长，死时间很长。改进为时序控制后，死时间可以由占比70％以上降低至30％以下，极大提高原子钟性能。相比于喷泉钟，死时间也可以由占比55％降低至30％以下。
2、与传统空间冷原子钟所使用的环形微波腔相比，圆柱形微波腔结构紧凑，可以完全置于三层磁屏蔽桶内，受空间复杂磁场环境影响更小。较小的结构也更适用于航天领域。另外圆柱形微波腔的腔相移对于钟性能的影响相较于环形腔易于评估。
3、本发明具有结构紧凑的特点，并可以提高冷原子钟，尤其是空间冷原子钟的性能。
附图说明
图1是本发明腔内冷却式原子钟的剖视图；
图2是本发明腔内冷却式原子钟立体图；
图3是图1所示的微波谐振腔和真空腔的剖视图；
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，但不应该以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1、图2、图3。图1是本发明腔内冷却式原子钟的剖视图；图2是本发明腔内冷却式原子钟立体图；图3是图1所示的微波谐振腔和真空腔的剖视图，如图所示，本发明腔内冷却式原子钟，包括高真空维持系统、微波谐振腔12、磁屏蔽桶7和二维磁光阱15，所述的高真空维持系统包含离子泵1、第一真空导管2、第二真空导管13和真空腔5，所述的磁屏蔽桶7由三层圆柱形屏蔽桶构成，所述的真空腔5通过支架3和6同轴地固定在所述的磁屏蔽桶7内，所述的微波谐振腔12通过另一支架4同轴地固定在所述的真空腔5的中心，所述的真空腔5通过第一真空导管2与所述的离子泵1相连，通过第二真空导管13与所述的二维磁光阱15相连，所述的微波谐振腔12为圆柱形，侧壁半高处沿圆周等间距地开设有四个两两相对的激光通光口，每两个相邻激光通光口的中间位置设有微波馈入口，该微波谐振腔12的上端面中心处开设有上激光通光口，该微波谐振腔12的下端面中心处开设有下激光通光口，所述的六个激光通光口的轴线彼此垂直相交，所述的二维磁光阱15俘获原子并将原子通过所述的第二真空导管13推送至所述的圆柱形微波谐振腔12中，原子在微波谐振腔12中进行冷却，选态，微波相互作用和探测等原子钟物理过程。
高真空维持系统用于保证二维磁光阱15和微波谐振腔12内的高真空度，所述的磁屏蔽桶7用于保证微波谐振腔12内剩余磁场不被环境磁场和二维磁光阱线圈磁场影响。
离子泵抽速可以维持系统内真空度在10-8Pa。
一种孔位布局方式如图3所示，其中孔10以及对侧孔，孔11以及对侧孔为通光控；孔8以及对侧孔，孔9以及对侧孔为微波馈入口。上下端面中心沿轴线方向有激光通光口孔18及对侧孔。通光口可以引入六束激光对微波腔内的原子进行冷却，其中通光口10以及对侧孔也用作探测光的馈入，通光口孔11以及对侧孔也用作选态光的馈入。孔18同时也是二维磁光阱和微波谐振腔的原子路径通孔，有推送光将原子从二维磁光阱中推送到微波谐振腔内。
所述的腔内冷却式原子钟，其特征在于，所述的微波谐振腔通过另一支架4固定于所述的真空腔上盖19。微波谐振腔12与真空腔5同轴且位于真空腔中心。
所述的微波谐振腔的内腔尺寸能保证微波工作在TE011模式下，四端馈入可以有效减小腔相移。
所述的磁屏蔽桶由三层磁屏蔽桶7构成，材质为坡莫合金，厚度均为1mm，形状均为圆柱桶并包含上下端盖，内部包含真空腔，上端面有开口用于真空导管、通信电缆和光纤的通过。所述的真空腔5和二维磁光阱12通过支架3和支架6固定在所述的磁屏蔽桶7中。
所述的二维磁光阱15一端与一个小离子泵16连接，另一端通过真空导管13与所述的真空腔5相连，可以保证二维磁光阱15内较高的真空度。
所述的腔内冷却式原子钟进行冷原子操控的方法，该方法包括如下步骤：
打开六束激光用于原子的冷却；然后关闭冷却激光，馈入微波并打开选态光进行选态作用；
然后关闭选态光，馈入微波进行原子和微波的第一次相互作用；
关闭微波并让原子自由扩散一段时间后，再次打开微波进行原子和微波的第二次相互作用；
关闭微波，打开探测光探测原子数。
理论分析：
冷原子钟的稳定度可以由下列公式1表示
其中，冷原子钟的稳定度主要由表示量子投影噪声的项和表示Dick效应的项决定。其中量子投影噪声与探测到的原子数成反比，探测原子数又可以表示为：
其中，kexp(t)表示热膨胀损耗，e-t/ τ表示背景气体膨胀损耗，均是随时间的减函数。钟周期越长，损耗越大，则可探测到原子数就越少，显然量子投影噪声带来的影响就越大。
另一方面，表示Dick效应的一项可以进一步表示为：
其中，与频率参考源相关。计算结果表明，钟周期越短，死时间占比越低，则Dick效应带来的影响越小。以产生1Hz线宽的Ramsey条纹来说，喷泉钟的钟周期约为1160ms，死时间约为660ms，占比为56.9％。本发明空间钟环形腔结构钟周期约为1820ms，死时间约为1320ms，占比为72.5％。腔内冷却钟周期约为1410ms，死时间约为410ms，占比29.0％。综合算得环形腔结构空间钟极限稳定度在1E-13τ-1/2左右，而腔内冷却方案理论上能满足5E-14τ-1/2的技术要求。
综上，本发明利用圆柱型微波谐振腔和时序控制完成微波和原子团相互作用的方式，相比于传统喷泉钟的两次微波作用方式，以及传统星载原子钟使用环形腔通过分离微波场完成微波和原子团相互作用的方式，极大减少了死时间，简化了结构，提高了磁屏蔽效果，进而提高了冷原子钟的性能。

Claims (5)

1.一种腔内冷却式原子钟，其特征在于，包括高真空维持系统、微波谐振腔(12)、磁屏蔽桶(7)和二维磁光阱(15)，所述的高真空维持系统包含离子泵(1)、第一真空导管(2)、第二真空导管(13)和真空腔(5)，所述的磁屏蔽桶(7)由三层圆柱形屏蔽桶构成，所述的真空腔(5)通过支架(3)和(6)同轴地固定在所述的磁屏蔽桶(7)内，所述的微波谐振腔(12)通过支架(4)同轴地固定在所述的真空腔(5)的中心，所述的真空腔(5)通过第一真空导管(2)与所述的离子泵(1)相连，通过第二真空导管(13)与所述的二维磁光阱(15)相连，所述的微波谐振腔(12)为圆柱形，侧壁半高处沿圆周等间距地开设有四个两两相对的激光通光口，每两个相邻激光通光口的中间位置设有微波馈入口，该微波谐振腔(12)的上端面中心处开设有上激光通光口，该微波谐振腔(12)的下端面中心处开设有下激光通光口，所述的六个激光通光口的轴线彼此垂直相交，所述的二维磁光阱(15)俘获原子并将原子通过所述的第二真空导管(13)推送至所述的圆柱形微波谐振腔(12)中，原子在微波谐振腔(12)中进行冷却，选态，微波相互作用和探测等原子钟物理过程。
2.根据权利要求1所述的腔内冷却式原子钟，其特征在于，所述的离子泵(1)抽速需要维持系统内真空度在10-8Pa。
3.根据权利要求1所述的腔内冷却式原子钟，其特征在于，所述的磁屏蔽桶(7)由三层磁屏蔽构成，材质为坡莫合金。
4.根据权利要求1所述的腔内冷却式原子钟，其特征在于，所述的微波谐振腔(12)的内腔尺寸保证微波工作在TE011模式下，四端馈入可以有效减小腔相移。
5.根据权利要求1至4任一项所述的腔内冷却式原子钟，其特征在于，所述的二维磁光阱(15)由两层磁屏蔽(14)包围，用以减小磁场线圈对微波腔(12)的影响。
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