CN112130444B - 一种喷泉式冷原子钟 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原子钟技术领域，公开了一种喷泉式冷原子钟，即一方面通过将原子能态选择机制改变为光抽运选态，可以将原子选态结构与荧光探测结构合二为一，进而可以去除常用于喷泉式冷原子钟的选态微波腔结构，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，有效减小了原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用，另一方面由于光抽运选态大幅提升了原子利用率，使用于微波探询的原子数成倍提升，提高了谱线信噪比，进而使因高度下降而导致谱线线宽增宽带来的指标影响被抵消，可保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当，不会因高度的降低而影响原子钟性能。

Description

一种喷泉式冷原子钟

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，具体地涉及一种喷泉式冷原子钟。

背景技术

时间和频率计量对现代国防建设以及国民经济中各个领域的发展具有重要的意义。原子钟是一种频率输出和定时装置，是现代信息社会中不可缺少的重要部件，其稳定性和准确性会影响通信、导航定位和导弹制导系统等性能。自激光冷却技术应用到原子钟领域以来，喷泉式冷原子钟相继被国际上各实验室成功搭建出来，其使用冷原子团作为工作物质，极大地消除了多普勒频移和碰撞频移带来的影响，同时喷泉式的工作方式增加了原子与微波相互作用的时间，使钟频谱线线宽极大地压窄，这些特点使喷泉式冷原子钟的准确度和稳定度超过热原子铯束钟，成为新的时间频率基准源。

喷泉式冷原子钟是一种利用激光冷却技术制备冷原子，并利用冷原子的特性和喷泉式的工作方式实现高准确度和稳定度的原子钟产品，传统的喷泉式冷原子钟的物理系统结构从下到上依次为冷原子源制备区、选态微波腔、荧光探测区、微波探询区和真空泵组件，再加上磁屏蔽系统，使得物理系统结构的高度常常接近两米，体积重量过大，不利于其作为高精度守时基准设备而进行广泛使用，因此目前的喷泉式冷原子钟常布局在各守时实验室中。

发明内容

为了解决当前喷泉式冷原子钟所存在的体积重量过大，导致不利于移动和推广使用的问题，本发明目的在于提供一种基于光抽运选态的新型喷泉式冷原子钟，可以在保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当的基础上，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，进而可有效减小原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用。

本发明所采用的技术方案为：

一种喷泉式冷原子钟，包括内部真空系统，其中，所述内部真空系统包括有从下至上依次连通的冷原子源制备区、选态及荧光探测区、微波探询区和真空泵组件；

所述选态及荧光探测区用于在原子上抛过程中，使基态各磁子能级上的原子在受到偏置磁场的影响和抽运光及重抽运光的双重作用后，布居到光抽运选态所需的磁子能级上，以及用于在原子下落过程中完成原子能级探测。

基于上述发明内容，提供了一种基于光抽运选态的新型喷泉式冷原子钟，即一方面通过将原子能态选择机制改变为光抽运选态，可以将原子选态结构与荧光探测结构合二为一，进而可以去除常用于喷泉式冷原子钟的选态微波腔结构，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，有效减小了原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用，另一方面由于光抽运选态大幅提升了原子利用率，使用于微波探询的原子数成倍提升，提高了谱线信噪比，进而使因高度下降而导致谱线线宽增宽带来的指标影响被抵消，可保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当，不会因高度的降低而影响原子钟性能。

优化的，所述选态及荧光探测区包括有四个竖直面，其中，所述四个竖直面分别与同一长方体的各个侧面一一对应；

所述四个竖直面按照相对关系分为两组，其中，第一组相对的两竖直面用于作为抽运光及重抽运光的馈入窗口，第二组相对的两竖直面用于作为原子辐射荧光的馈出窗口。

进一步优化的，所述第一组相对的两竖直面还用于作为第一探测光、推送光和第二探测光的馈入窗口，其中，所述第一探测光、所述推送光、所述重抽运光和所述第二探测光的馈入位置从上至下依次布置；

在所述第二组相对的两竖直面上嵌设有第一聚光透镜和第二聚光透镜，其中，所述第一聚光透镜的嵌设位置高度与所述第一探测光的馈入位置高度相同，所述第一聚光透镜的射出端光路连通第一光电管，所述第二聚光透镜的嵌设位置高度与所述第二探测光的馈入位置高度相同，所述第二聚光透镜的射出端光路连通第二光电管。

具体的，当所述喷泉式冷原子钟为基于⁸⁷Rb碱金属原子的原子钟时，所述抽运光为用于将⁸⁷Rb碱金属原子从原子基态|F_Rb＝2>激发到激发态|F_Rb'＝2>的激光，所述重抽运光为用于将⁸⁷Rb碱金属原子从原子基态|F_Rb＝1>激发到激发态|F_Rb'＝2>的激光，所述光抽运选态所需的磁子能级为基态|F_Rb＝2，m_F＝0>能级，其中，F_Rb表示基态⁸⁷Rb碱金属原子角量子数，F_Rb'表示激发态⁸⁷Rb碱金属原子角量子数，m_F表示磁量子数。

具体的，当所述喷泉式冷原子钟为基于¹³³Cs碱金属原子的原子钟时，所述抽运光为用于将¹³³Cs碱金属原子从原子基态|F_Cs＝4>光激发到激发态|F_Cs'＝4>的激光，所述重抽运光为用于将¹³³Cs碱金属原子从原子基态|F_Cs＝3>光激发到激发态|F_Cs'＝4>的激光，所述光抽运选态所需的磁子能级为基态|F_Cs＝4，m_F＝0>能级，其中，F_Cs表示基态¹³³Cs碱金属原子角量子数，F_Cs'表示激发态¹³³Cs碱金属原子角量子数，m_F表示磁量子数。

优化的，所述冷原子源制备区呈多面体结构，其中，所述多面体结构包括有六个激光透射面；

所述六个激光透射面分别与同一正方体的各个视面一一对应且一一对应地作为一束冷却光的馈入窗口，并使三束冷却光向下斜射所述多面体结构的中心，以及使三束冷却光向上斜射所述多面体结构的中心，以及使六束冷却光在三个两两正交的方向上形成激光驻波场，并与反亥姆霍兹线圈构成用于将原子冷却囚禁在多面体中心的三维磁光阱。

具体的，所述冷原子源制备区与所述选态及荧光探测区之间通过真空法兰和弹簧蓄能密封圈进行密封性连通。

具体的，所述微波探询区包括有微波腔及位于所述微波腔之上的区域，用于使原子两次通过从而与微波相互作用，实现分离振荡场对原子谱线频率的探询，其中，所述微波腔作为真空密封组成部分接入所述内部真空系统或者作为真空内部组件安装在一个真空筒内。

具体的，所述真空泵组件包括有离子泵和分子泵接口，其中，所述分子泵接口用于外接分子泵或真空泵，以便完成真空预抽取，所述离子泵用于在完成真空预抽取后启动并保持常开。

具体的，还包括外部磁屏蔽系统，其中，所述外部磁屏蔽系统包括有多层用于包围所述微波探询区的磁屏蔽筒。

本发明的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种基于光抽运选态的新型喷泉式冷原子钟，即一方面通过将原子能态选择机制改变为光抽运选态，可以将原子选态结构与荧光探测结构合二为一，进而可以去除常用于喷泉式冷原子钟的选态微波腔结构，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，有效减小了原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用，另一方面由于光抽运选态大幅提升了原子利用率，使用于微波探询的原子数成倍提升，提高了谱线信噪比，进而使因高度下降而导致谱线线宽增宽带来的指标影响被抵消，可保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当，不会因高度的降低而影响原子钟性能；

(2)还可以简化原子钟结构，使物理系统结构的装配调试难度下降，减少所需元器件，进而可减低产业化所需的人力成本和材料成本，便于实际应用和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的喷泉式冷原子钟的剖视结构示意图。

图2是本发明提供的在喷泉式冷原子钟中选态及荧光探测区的立体结构示意图。

图3是本发明提供的在喷泉式冷原子钟中冷原子源制备区的立体结构示意图。

图4是本发明提供的在喷泉式冷原子钟中冷原子源制备区的仰视结构示意图。

上述附图中：1-冷原子源制备区；11-激光透射面；12-反亥姆霍兹线圈；2-选态及荧光探测区；21-竖直面；221-第一聚光透镜；222-第二聚光透镜；231-第一光电管；232-第二光电管；3-微波探询区；4-真空泵组件；5-磁屏蔽筒；100-冷原子团；200-冷却光；300-重抽运光；400-第一探测光；500-推送光；600-第二探测光。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例一

如图1～4所示，本实施例提供的所述喷泉式冷原子钟，包括内部真空系统，其中，所述内部真空系统包括有从下至上依次连通的冷原子源制备区1、选态及荧光探测区2、微波探询区3和真空泵组件4；所述选态及荧光探测区2用于在原子上抛过程中，使基态各磁子能级上的原子在受到偏置磁场的影响和抽运光及重抽运光的双重作用后，布居到光抽运选态所需的磁子能级上，以及用于在原子下落过程中完成原子能级探测。

如图1～4所示，在所述喷泉式冷原子钟的具体结构中，所述冷原子源制备区1用于提供制备冷原子团的场所，即利用激光冷却技术从背景碱金属气体环境(需要提前在所述冷原子源制备区1中安装碱金属源)中冷却、捕获和囚禁冷原子团，并使冷原子团按照设计抛射速度自下而上地上抛，最终实现喷泉式冷原子运动。

所述选态及荧光探测区2用于提供完成原子光抽运选态的场所，即在冷原子团上抛经过时，向内部空间馈入抽运光和重抽运光，并通过调节馈入光强的强弱、频率的失谐量和抽运光作用时间等因子来影响光抽运效果，使得在偏置磁场的作用下，基态各磁子能级上的原子绝大部分布居到光抽运选态所需的磁子能级，从而完成光抽运选态过程。具体举例的，当所述喷泉式冷原子钟为基于⁸⁷Rb碱金属原子的原子钟时(即使有的工作物质原子为碱金属⁸⁷Rb原子)，所述抽运光为用于将⁸⁷Rb碱金属原子从原子基态|F_Rb＝2>激发到激发态|F_Rb'＝2>的激光，所述重抽运光为用于将⁸⁷Rb碱金属原子从原子基态|F_Rb＝1>激发到激发态|F_Rb'＝2>的激光，所述光抽运选态所需的磁子能级为基态|F_Rb＝2，m_F＝0>能级，其中，F_Rb表示基态⁸⁷Rb碱金属原子角量子数，F_Rb'表示激发态⁸⁷Rb碱金属原子角量子数，m_F表示磁量子数。又具体举例的，当所述喷泉式冷原子钟为基于¹³³Cs碱金属原子的原子钟时(即使有的工作物质原子为碱金属¹³³Cs原子)，所述抽运光为用于将¹³³Cs碱金属原子从原子基态|F_Cs＝4>光激发到激发态|F_Cs'＝4>的激光，所述重抽运光为用于将¹³³Cs碱金属原子从原子基态|F_Cs＝3>光激发到激发态|F_Cs'＝4>的激光，所述光抽运选态所需的磁子能级为基态|F_Cs＝4，m_F＝0>能级，其中，F_Cs表示基态¹³³Cs碱金属原子角量子数，F_Cs'表示激发态¹³³Cs碱金属原子角量子数，m_F表示磁量子数。

所述微波探询区3用于提供原子与微波相互作用的场所，即在冷原子团完成光抽运选态且上抛到达时和下落经过时，分别通过微波与原子的两次微波相互作用(即当原子上抛到达所述微波探询区3时，发生第一次原子与微波的相互作用，然后原子继续上抛离开微波探询区3，并在没有微波的情况下自由飞行演化时间，再下落到微波探询区3，完成第二次原子与微波的相互作用)，实现微波探询过程(其为现有微波探询手段)。

所述选态及荧光探测区2还用于提供原子能级探测的场所，即在冷原子团下落经过时，通过感应到冷原子团的自发辐射荧光，完成基于所述自发辐射荧光的原子能级探测。所述真空泵组件4用于进行内部真空系统的超高真空抽取和维持，确保喷泉式冷原子钟的正常原子运动(即喷泉式原子运动)。此外，所述内部真空系统的各组成部分之间通过法兰或真空钎焊的方式实现密封连通，并可通过检测这些连接部分的漏气率来判断或调整真空连接的可靠性。

由此通过上述喷泉式冷原子钟的详细结构描述，提供了一种基于光抽运选态的新型喷泉式冷原子钟，即一方面通过将原子能态选择机制改变为光抽运选态，可以将原子选态结构与荧光探测结构合二为一，进而可以去除常用于喷泉式冷原子钟的选态微波腔结构，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，有效减小了原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用，另一方面由于光抽运选态大幅提升了原子利用率，使用于微波探询的原子数成倍提升，提高了谱线信噪比，进而使因高度下降而导致谱线线宽增宽带来的指标影响被抵消，可保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当，不会因高度的降低而影响原子钟性能。此外，还可以简化原子钟结构，使物理系统结构的装配调试难度下降，减少所需元器件，进而可减低产业化所需的人力成本和材料成本，便于实际应用和推广。

优化的，所述选态及荧光探测区2包括有四个竖直面21，其中，所述四个竖直面21分别与同一长方体的各个侧面一一对应；所述四个竖直面21按照相对关系分为两组，其中，第一组相对的两竖直面21用于作为抽运光及重抽运光的馈入窗口，第二组相对的两竖直面21用于作为原子辐射荧光的馈出窗口。如图2所示，通过前述结构设计，既可以使得在原子上抛过程中，能够馈入光抽运选态所需的抽运光及重抽运光，又可以在原子下落过程中，感应到冷原子团的自发辐射荧光，确保抽运光及重抽运光与感应到的荧光互不影响，从而可实现将原子选态结构与荧光探测结构合二为一的目的。

进一步优化的，所述第一组相对的两竖直面21还用于作为第一探测光、推送光和第二探测光的馈入窗口，其中，所述第一探测光、所述推送光、所述重抽运光和所述第二探测光的馈入位置从上至下依次布置；在所述第二组相对的两竖直面21上嵌设有第一聚光透镜221和第二聚光透镜222，其中，所述第一聚光透镜221的嵌设位置高度与所述第一探测光的馈入位置高度相同，所述第一聚光透镜221的射出端光路连通第一光电管231，所述第二聚光透镜222的嵌设位置高度与所述第二探测光的馈入位置高度相同，所述第二聚光透镜222的射出端光路连通第二光电管232。如图2所示，通过前述结构设计，以工作物质原子采用碱金属⁸⁷Rb原子为例，可实现如下的原子能级探测原理：(1)冷原子团在完成微波探询后的下落过程中，首先经过第一探测光驻波场(即通过馈入所述第一探测光形成)，此时冷原子团受所述第一探测光的光抽运作用，使得⁸⁷Rb原子基态超精细能级|F_Rb＝2，m_F＝0>上的原子被抽运到激发态能级|F_Rb'＝3>上，然后自发辐射回到基态|F_Rb＝2>能级上，自发辐射荧光的强度通过所述第一聚光透镜221的聚光作用，最终被所述第一光电管231探测接收，如此可根据第一探测光的光强、偏振和尺寸等参数，按照常规算法计算得到微波探询后基态|F_Rb＝2，m_F＝0>能级上的原子数N₂；(2)然后经过推送光行波场(即通过馈入所述推送光形成)，此时基态|F_Rb＝2>能级上的原子被选择性推送走，仅剩下基态|F_Rb＝1，m_F＝0>能级上的原子；(3)再在重抽运光的光抽运作用下，使基态|F_Rb＝1，m_F＝0>能级上的原子被抽运到基态|F_Rb＝2>能级上；(4)在经过第二探测光驻波场(即通过馈入所述第二探测光形成)时，受所述第二探测光的光抽运作用，使得基态|F_Rb＝2>能级上的原子被抽运到激发态能级|F_Rb'＝3>上，然后自发辐射回到基态|F_Rb＝2>能级上，自发辐射荧光的强度通过所述第二聚光透镜222的聚光作用，最终被所述第二光电管232探测接收，如此可根据第二探测光的光强、偏振和尺寸等参数，按照常规算法计算得到微波探询后基态|F_Rb＝1，m_F＝0>能级上的原子数N₁；(5)最后按照如下公式计算总的跃迁概率

由于跃迁概率P与所述微波探询区3的微波频率和功率直接相关，可通过改变微波频率得到原子跃迁概率的谱线分布，进而得到微波频率与原子钟基态钟频频率的偏差，该偏差可用于反馈本地振荡器，实现喷泉式冷原子钟的高精准守时目的。

优化的，所述冷原子源制备区1呈多面体结构，其中，所述多面体结构包括有六个激光透射面11；所述六个激光透射面11分别与同一正方体的各个视面一一对应且一一对应地作为一束冷却光的馈入窗口，并使三束冷却光向下斜射所述多面体结构的中心，以及使三束冷却光向上斜射所述多面体结构的中心，以及使六束冷却光在三个两两正交的方向上形成激光驻波场，并与反亥姆霍兹线圈12构成用于将原子冷却囚禁在多面体中心的三维磁光阱。如图3和4所示，举例的，所述多面体结构采用包含有六个正方形面(即一一对应地作为所述六个激光透射面11)和八个三角形面(部分的三角形面用于作为原子通道或碱金属源的安装面等，剩余部分的三角形面用于作为通光窗口，以便探测制备的冷原子团)的十四面体结构，可通过构成的三维磁光阱，对碱金属原子(例如碱金属⁸⁷Rb原子)进行多普勒冷却和偏振梯度冷却等激光冷却过程，并在一定时间后，将原子冷却囚禁在磁光阱中心得到所需的冷原子团，最后通过调整上三束和下三束激光频率的相对失谐量，可使冷原子团按设计抛射速度上抛。此外，所述冷原子源制备区1与所述选态及荧光探测区2之间优选通过真空法兰和弹簧蓄能密封圈进行密封性连通，以便确保所述冷原子源制备区1与所述选态及荧光探测区2之间的真空密封性。

具体的，所述微波探询区3包括有微波腔及位于所述微波腔之上的区域，用于使原子两次通过从而与微波相互作用，实现分离振荡场对原子谱线频率的探询，其中，所述微波腔作为真空密封组成部分接入所述内部真空系统或者作为真空内部组件安装在一个真空筒内。

具体的，所述真空泵组件4包括有离子泵和分子泵接口，其中，所述分子泵接口用于外接分子泵或真空泵(即外部的其他真空泵)，以便完成真空预抽取，所述离子泵用于在完成真空预抽取后(即在通过启动所述分子泵或所述真空泵，使真空度达到一定的级别后)启动并保持常开。

具体的，还包括外部磁屏蔽系统，其中，所述外部磁屏蔽系统包括有多层用于包围所述微波探询区3的磁屏蔽筒5。如图1所示，所述外部磁屏蔽系统用于隔绝屏蔽外部静磁场及变化磁场对原子能级结构的影响，并通过设置所述磁屏蔽筒5，还可以防止所述微波探询区3中微波向外泄漏。

综上，采用本实施例所提供的喷泉式冷原子钟，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种基于光抽运选态的新型喷泉式冷原子钟，即一方面通过将原子能态选择机制改变为光抽运选态，可以将原子选态结构与荧光探测结构合二为一，进而可以去除常用于喷泉式冷原子钟的选态微波腔结构，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，有效减小了原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用，另一方面由于光抽运选态大幅提升了原子利用率，使用于微波探询的原子数成倍提升，提高了谱线信噪比，进而使因高度下降而导致谱线线宽增宽带来的指标影响被抵消，可保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当，不会因高度的降低而影响原子钟性能；

(2)还可以简化原子钟结构，使物理系统结构的装配调试难度下降，减少所需元器件，进而可减低产业化所需的人力成本和材料成本，便于实际应用和推广。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.一种喷泉式冷原子钟，其特征在于，包括内部真空系统，其中，所述内部真空系统包括有从下至上依次连通的冷原子源制备区(1)、选态及荧光探测区(2)、微波探询区(3)和真空泵组件(4)；

所述选态及荧光探测区(2)用于在原子上抛过程中，使基态各磁子能级上的原子在受到偏置磁场的影响和抽运光及重抽运光的双重作用后，布居到光抽运选态所需的磁子能级上，以及用于在原子下落过程中完成原子能级探测；

所述选态及荧光探测区(2)包括有四个竖直面(21)，其中，所述四个竖直面(21)分别与同一长方体的各个侧面一一对应；

所述四个竖直面(21)按照相对关系分为两组，其中，第一组相对的两竖直面(21)用于作为抽运光及重抽运光的馈入窗口，第二组相对的两竖直面(21)用于作为原子辐射荧光的馈出窗口。

2.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，所述第一组相对的两竖直面(21)还用于作为第一探测光、推送光和第二探测光的馈入窗口，其中，所述第一探测光、所述推送光、所述重抽运光和所述第二探测光的馈入位置从上至下依次布置；

在所述第二组相对的两竖直面(21)上嵌设有第一聚光透镜(221)和第二聚光透镜(222)，其中，所述第一聚光透镜(221)的嵌设位置高度与所述第一探测光的馈入位置高度相同，所述第一聚光透镜(221)的射出端光路连通第一光电管(231)，所述第二聚光透镜(222)的嵌设位置高度与所述第二探测光的馈入位置高度相同，所述第二聚光透镜(222)的射出端光路连通第二光电管(232)。

3.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，当所述喷泉式冷原子钟为基于⁸⁷Rb碱金属原子的原子钟时，所述抽运光为用于将⁸⁷Rb碱金属原子从原子基态|F_Rb＝2>激发到激发态|F_Rb'＝2>的激光，所述重抽运光为用于将⁸⁷Rb碱金属原子从原子基态|F_Rb＝1>激发到激发态|F_Rb'＝2>的激光，所述光抽运选态所需的磁子能级为基态|F_Rb＝2，m_F＝0>能级，其中，F_Rb表示基态⁸⁷Rb碱金属原子角量子数，F_Rb'表示激发态⁸⁷Rb碱金属原子角量子数，m_F表示磁量子数。

4.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，当所述喷泉式冷原子钟为基于¹³³Cs碱金属原子的原子钟时，所述抽运光为用于将¹³³Cs碱金属原子从原子基态|F_Cs＝4>光激发到激发态|F_Cs'＝4>的激光，所述重抽运光为用于将¹³³Cs碱金属原子从原子基态|F_Cs＝3>光激发到激发态|F_Cs'＝4>的激光，所述光抽运选态所需的磁子能级为基态|F_Cs＝4，m_F＝0>能级，其中，F_Cs表示基态¹³³Cs碱金属原子角量子数，F_Cs'表示激发态¹³³Cs碱金属原子角量子数，m_F表示磁量子数。

5.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，所述冷原子源制备区(1)呈多面体结构，其中，所述多面体结构包括有六个激光透射面(11)；

所述六个激光透射面(11)分别与同一正方体的各个视面一一对应且一一对应地作为一束冷却光的馈入窗口，并使三束冷却光向下斜射所述多面体结构的中心，以及使三束冷却光向上斜射所述多面体结构的中心，以及使六束冷却光在三个两两正交的方向上形成激光驻波场，并与反亥姆霍兹线圈(12)构成用于将原子冷却囚禁在多面体中心的三维磁光阱。

6.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，所述冷原子源制备区(1)与所述选态及荧光探测区(2)之间通过真空法兰和弹簧蓄能密封圈进行密封性连通。

7.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，所述微波探询区(3)包括有微波腔及位于所述微波腔之上的区域，用于使原子两次通过从而与微波相互作用，实现分离振荡场对原子谱线频率的探询，其中，所述微波腔作为真空密封组成部分接入所述内部真空系统或者作为真空内部组件安装在一个真空筒内。

8.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，所述真空泵组件(4)包括有离子泵和分子泵接口，其中，所述分子泵接口用于外接分子泵或真空泵，以便完成真空预抽取，所述离子泵用于在完成真空预抽取后启动并保持常开。

9.如权利要求1所述的喷泉式冷原子钟，其特征在于，还包括外部磁屏蔽系统，其中，所述外部磁屏蔽系统包括有多层用于包围所述微波探询区(3)的磁屏蔽筒(5)。

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