CN110174833B - 一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法 - Google Patents

一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，金字塔磁光阱包括金字塔反射镜，分别设于金字塔反射镜的上下两侧的一对反向亥姆霍兹线圈，设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈的下侧的四分之一波片，和从上而下依次设于四分之一波片的下侧的凸透镜和光纤；微波腔系统设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈与四分之一波片之间，微波腔系统包括微波谐振腔，和分别连接于微波谐振腔的上下两侧的第一截止波导和第二截止波导；超高真空保持系统包括通过真空导管与金字塔磁光阱和微波腔系统连通的离子泵；原子源设于金字塔反射镜的背面附近。本发明采用金字塔磁光阱，简化了光路，具有更简单的光路、几何结构和更小的体积。

Description

一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法
技术领域
本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法。
背景技术
无论是地面上还是全球定位卫星系统上的现代守时系统都非常依赖原子钟。传统的原子钟采用热原子为工作物质，其准确度和稳定度受到原子热运动的影响而难以进一步提升，目前已经接近理论极限，例如目前商品铯束钟的最好性能长期稳定度还在10-14量级，准确度在5×10-13。
利用激光冷却技术可以将原子的温度冷却至接近绝对零度，减小了原子的运动速度，提高了原子与微波的Ramsey相互作用时间，大幅提升原子钟的性能。
1989年，斯坦福大学的Chu研究组首次在实验上演示了基于激光冷却的方式形成的冷原子Na喷泉[Kasevich A M et al.,1989,Phys.Rev.Lett.63 612]，随后冷原子喷泉钟发展进入了一个新的时代。原子被冷却后利用抛物运动，与同一微波场作用两次，实现Ramsey型干涉，通过探测干涉后的跃迁概率的变化得到微波场的频率期望值的误差，以此锁定微波源。由于低速的冷原子可以与微波场有更长的相互作用实现，极大的压窄了Ramsey花样的线宽，从而拥有更高的频率准确度。基于冷原子的喷泉钟取得了前所未有的成就，成为现在的时间基准，频率准确度达到10-16量级。
尽管冷原子具有环境隔离、能够大幅提升测量精度等多方面的优势，但是原子的激光冷却装置及其配套光学系统往往体积庞大，难以实现小型化和实用化。目前基于冷原子的喷泉钟只能在实验室下作为秒定义，难以搬运和长期运行。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法。使用金字塔磁光阱对原子进行俘获和冷却，在偏振梯度冷却过程中通过改变冷却光和再泵浦光的开闭时序实现原子的选态，选态后的冷原子在重力作用进入圆柱形微波谐振腔与微波相互作用，最后进入探测器进行探测。本发明可以使得冷原子钟的物理系统更加紧凑，可以大幅减小体积，具有实用性，相比于传统的铯束钟，性能提高一个数量级，可以预见，该冷原子钟装置可以替代铯束钟，实现更高精度的时间频率，具有广阔的应用前景。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，包括金字塔磁光阱、微波腔系统、超高真空保持系统和原子源；
所述金字塔磁光阱包括金字塔反射镜，分别设于金字塔反射镜的上下两侧的一对反向亥姆霍兹线圈，设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈的下侧的四分之一波片，和从上而下依次设于四分之一波片的下侧的凸透镜和光纤；
所述微波腔系统设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈与四分之一波片之间，微波腔系统包括微波谐振腔，和分别连接于微波谐振腔的上下两侧的第一截止波导和第二截止波导；
所述超高真空保持系统包括通过真空导管与金字塔磁光阱和微波腔系统连通的离子泵；
所述原子源设于金字塔反射镜的背面附近。
冷却光和再泵浦光通过光纤耦合形成线偏光后经过凸透镜扩束和四分之一波片后形成圆偏振宽束激光，经金字塔反射镜的精密反射后在阱区形成与6束正交激光形式相似的光束形态用于原子的冷却。
超高真空保持系统用于保证金字塔磁光阱和微波腔系统的真空度。
在上述技术方案的基础上，所述微波谐振腔采用TE01n模式的圆柱形微波腔，保证磁场平行于轴线方向，微波谐振腔内采用单根同轴线环状天线方式馈入，可以有效的减小体积，微波谐振腔采用零号无氧铜。
在上述技术方案的基础上，所述第一截止波导和第二截止波导均采用圆柱形波导，防止微波泄露进入磁光阱区和探测区。
在上述技术方案的基础上，所述金字塔反射镜为棱锥形或圆锥形。
在上述技术方案的基础上，所述基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置还包括磁屏蔽系统，磁屏蔽系统包括由内而外设置的第一层磁屏蔽筒、第二层磁屏蔽筒和第三层磁屏蔽筒，微波腔系统设于第一层磁屏蔽筒内，金字塔反射镜、光纤、凸透镜、四分之一波片和一对反向亥姆霍兹线圈均设有第二层磁屏蔽筒与第三层磁屏蔽筒之间，离子泵通过真空导管与第三层磁屏蔽筒连通，原子源设于第二层磁屏蔽筒与第三层磁屏蔽筒之间。
磁屏蔽系统用于保证微波腔系统内剩余磁场不被环境磁场和金字塔磁光阱线圈磁场影响。离子泵的抽速需要维持系统在未充工作物质(87Rb或133Cs)下真空度低于1.0×10-7Pa。
在上述技术方案的基础上，所述磁屏蔽筒为具有上下端盖的圆柱筒，磁屏蔽筒采用波莫合金，厚度为1-2mm。
在上述技术方案的基础上，所述第一层磁屏蔽筒的内壁设有C场线圈，C场线圈由螺线管线圈构成，所述C场平行于微波谐振腔内高频磁场，其大小为几十毫高斯到100毫高斯之间，C场线圈起到分离超精细磁能级的目的。
在上述技术方案的基础上，所述基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置还包括探测系统，探测系统包括探测光和探测器，探测器设于第二层磁屏蔽筒与第三层磁屏蔽筒之间，第三层磁屏蔽筒设有探测光进入的孔。
探测系统对从与微波相互作用后从第二截止波导出来的冷原子进行探测。
一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置的工作方法，包括如下步骤：
冷却光和再泵浦光通过光纤耦合形成线偏光后经过凸透镜扩束和四分之一波片后形成圆偏振宽束激光，经金字塔反射镜的精密反射后在阱区形成与6束正交激光形式相似的光束形态用于原子的冷却；
在原子进行激光冷却的偏振梯度冷却的阶段通过控制冷却光和再泵浦光的时序进行选态，使得原子都落在基态各个磁子能级上；
关闭冷却光和再泵浦光，冷却后的原子由于重力的作用进入到微波谐振腔中，与此同时，馈入π/2微波进行原子与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，再次馈入π/2微波进行原子与微波的第二次相互作用；
关闭微波源。
扩散时间对于TE011腔通常为20～30ms。
本发明的有益效果为：
1、本发明选用冷原子代替传统原子钟中所采用的热原子作为工作物质，由于冷原子的热运动速度小，由速度引起的一级和二级多普勒加宽很小，在相同微波腔的结构下有更长的微波作用时间，极大的压窄Ramsey花样线宽，有利于原子谱线的精密测量，从而实现高稳定度原子钟。
2、通常冷原子钟物理系统采用光学黏团技术将冷原子团上抛，在重力的作用下形成冷原子喷泉，经过选态腔后，处于纯量子态的原子在上升和下降的途中两次经过同一微波腔。本发明利用控制冷却光和再泵浦光的开闭时序实现选态，省去了选态腔，从而大大减小了钟的尺寸和功耗，更有利于小型化。此外，在微波作用方式上舍弃了上述上抛的方式，本发明采用重力下降的方法，减小了整个微波作用区的长度，虽然性能指标上比喷泉钟减小了约1-2个量级，但是体积可减小到标准机箱大小，性能比铯束钟好1个量级左右，更适合广泛的地面系统应用。
3、本发明采用端面同轴线耦合，相比于传统冷喷泉钟采用的侧壁矩形波导小孔耦合方式，本发明使得微波谐振腔的整体横向尺寸更小，更适合小型化工程应用。
4、本发明具有结构紧凑，光路简单，并可提高原子钟的性能，较热原子提高1个数量级左右。
附图说明
图1是本发明-实施例的结构示意图。
图中：1-金字塔反射镜；2-C场线圈；3-磁屏蔽筒；4a-第一截止波导；4b-第二截止波导；5-微波谐振腔；6-四分之一波片；7-凸透镜；8-光纤；9-原子源；10-探测光；11-探测器；12-离子泵；13-真空导管；14-反向亥姆霍兹线圈。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
传统的原子激光冷却装置主要采用磁光阱(Magneto-optical Trap，MOT)，由六束正交对射的圆偏振激光和一对反向亥姆霍兹线圈组成。随着微机电系统(Micro-electro-mechanical system，MEMS)技术的发展的越来越成熟，采用反射镜拼接的金字塔结构可以实现传统MOT中六束激光对原子的冷却和囚禁功能。
实施例：
如图1所示，本实施例的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，包括金字塔磁光阱、微波腔系统、超高真空保持系统、磁屏蔽系统和探测系统。
金字塔磁光阱包括金字塔反射镜1、光纤8、凸透镜7、四分之一波片6和一对反向亥姆霍兹线圈14，其中，一对反向亥姆霍兹线圈14分别设于金字塔反射镜1的上下两侧，四分之一波片6设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈14的下侧，并且四分之一波片6、凸透镜7和光纤8从上而下依次设置。
冷却光和再泵浦光通过光纤8耦合形成线偏光后经过凸透镜7扩束和四分之一波片6后形成圆偏振宽束激光，经金字塔反射镜1的精密反射后在阱区形成与6束正交激光形式相似的光束形态用于原子的冷却。
金字塔反射镜为棱锥形或圆锥形。棱锥形包括三角棱锥形、四角棱锥形等。微波腔系统包括微波谐振腔5、第一截止波导4a和第二截止波导4b，其中，微波谐振腔5、第一截止波导4a和第二截止波导4b均设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈14与四分之一波片6之间，第一截止波导4a和第二截止波导4b分别连接于微波谐振腔5的上下两侧，第一截止波导4a靠近反向亥姆霍兹线圈14，第二截止波导4b靠近四分之一波片6。
微波谐振腔5采用TE01n模式的圆柱形微波腔，保证磁场平行于轴线方向，采用单根同轴线环状天线方式馈入可以有效的减小体积，微波谐振腔5采用零号无氧铜。第一截止波导4a和第二截止波导4b均采用圆柱形波导，防止微波泄露。
超高真空保持系统用于保证金字塔磁光阱和微波腔系统的真空度。
超高真空保持系统包括离子泵12和真空导管13，离子泵12通过真空导管13与金字塔磁光阱和微波腔系统连通。离子泵12的抽速需要维持系统在未充工作物质(87Rb或133Cs)下真空度低于1.0×10-7Pa。
磁屏蔽系统用于保证微波腔系统内剩余磁场不被环境磁场和金字塔磁光阱线圈磁场影响。
磁屏蔽系统包括由内而外设置的第一层磁屏蔽筒3、第二层磁屏蔽筒3和第三层磁屏蔽筒3，磁屏蔽筒3为具有上下端盖的圆柱筒，磁屏蔽筒3采用波莫合金，厚度为1-2mm。其中，微波腔系统设于第一层磁屏蔽筒3内。金字塔反射镜1、光纤8、凸透镜7、四分之一波片6和一对反向亥姆霍兹线圈14均设于第二层磁屏蔽筒3与第三层磁屏蔽筒3之间。离子泵12通过真空导管13与第三层磁屏蔽筒3连通，相应地，第三层磁屏蔽筒3设有孔。
第一层磁屏蔽筒3的内壁设有C场线圈2，第二层磁屏蔽筒3与第三层磁屏蔽筒3之间还设有原子源9，原子源9设于金字塔反射镜1的背面附近。
C场线圈由螺线管线圈构成，所述C场平行于微波谐振腔内高频磁场，其大小为几十毫高斯到100毫高斯之间，C场线圈起到分离超精细磁能级的目的。
探测系统包括探测光10和探测器11，探测器11设于第二层磁屏蔽筒3与第三层磁屏蔽筒3之间，对从与微波相互作用后从第二截止波导4b出来的冷原子进行探测，相应地，第三层磁屏蔽筒3设有探测光10进入的孔。
基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置的工作方法，包括如下步骤：
冷却光和再泵浦光通过光纤8耦合形成线偏光后经过凸透镜7扩束和四分之一波片6后形成圆偏振宽束激光，经金字塔反射镜1的精密反射后在阱区形成与6束正交激光形式相似的光束形态用于原子的冷却；
在原子进行激光冷却的偏振梯度冷却的阶段通过控制冷却光和再泵浦光的时序进行选态，使得原子都落在基态各个磁子能级上；
关闭冷却光和再泵浦光，冷却后的原子由于重力的作用进入到微波谐振腔5中，与此同时，馈入π/2微波进行原子与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，再次馈入π/2微波进行原子与微波的第二次相互作用；
关闭微波源，打开探测光10探测原子数。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：包括金字塔磁光阱、微波腔系统、超高真空保持系统和原子源(9)；
所述金字塔磁光阱包括金字塔反射镜(1)，分别设于金字塔反射镜的上下两侧的一对反向亥姆霍兹线圈(14)，设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈的下侧的四分之一波片(6)，和从上而下依次设于四分之一波片的下侧的凸透镜(7)和光纤(8)；
所述微波腔系统设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈与四分之一波片之间，微波腔系统包括微波谐振腔(5)，和分别连接于微波谐振腔的上下两侧的第一截止波导(4a)和第二截止波导(4b)；
所述超高真空保持系统包括通过真空导管(13)与金字塔磁光阱和微波腔系统连通的离子泵(12)；
所述原子源设于金字塔反射镜的背面附近。
2.根据权利要求1所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述微波谐振腔采用TE01n模式的圆柱形微波腔，微波谐振腔内采用单根同轴线环状天线方式馈入。
3.根据权利要求1所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述第一截止波导和第二截止波导均采用圆柱形波导。
4.根据权利要求1所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述金字塔反射镜为棱锥形或圆锥形。
5.根据权利要求1所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置还包括磁屏蔽系统，磁屏蔽系统包括由内而外设置的第一层磁屏蔽筒(3)、第二层磁屏蔽筒和第三层磁屏蔽筒，微波腔系统设于第一层磁屏蔽筒内，金字塔反射镜、光纤、凸透镜、四分之一波片和一对反向亥姆霍兹线圈均设有第二层磁屏蔽筒与第三层磁屏蔽筒之间，离子泵通过真空导管与第三层磁屏蔽筒连通，原子源设于第二层磁屏蔽筒与第三层磁屏蔽筒之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述磁屏蔽筒为具有上下端盖的圆柱筒。
7.根据权利要求5所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述第一层磁屏蔽筒的内壁设有C场线圈(2)，C场线圈由螺线管线圈构成，所述C场平行于微波谐振腔内高频磁场。
8.根据权利要求5所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，其特征在于：所述基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置还包括探测系统，探测系统包括探测光(10)和探测器(11)，探测器设于第二层磁屏蔽筒与第三层磁屏蔽筒之间，第三层磁屏蔽筒设有探测光进入的孔。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
冷却光和再泵浦光通过光纤耦合形成线偏光后经过凸透镜扩束和四分之一波片后形成圆偏振宽束激光，经金字塔反射镜的精密反射后在阱区形成与6束正交激光形式相似的光束形态用于原子的冷却；
在原子进行激光冷却的偏振梯度冷却的阶段通过控制冷却光和再泵浦光的时序进行选态，使得原子都落在基态各个磁子能级上；
关闭冷却光和再泵浦光，冷却后的原子由于重力的作用进入到微波谐振腔中，与此同时，馈入π/2微波进行原子与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，再次馈入π/2微波进行原子与微波的第二次相互作用；
关闭微波源。
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