CN113296384B - 一种面向空间光钟的双重可调光晶格装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向空间光钟的双重可调光晶格装置，包括真空装置、光楔对、平凹镜和亥姆霍兹线圈，所述的真空装置两端开有透射窗口，激光穿过光楔对后经透射窗口穿过真空装置，被真空装置另一侧的平凹镜压缩光斑并反射回真空装置中，入射光与反射光在真空装置中重合后形成驻波场；真空装置相对垂直的三个方向上分别安装了一对亥姆霍兹线圈。本发明不仅大大简化了晶格场装置，还进一步提高了晶格场装置的稳定性、抗振性，特别是面向空间光钟苛刻且有限的调节条件下，实现最优的光晶格装载。本发明能够广泛应用于各类中性原子光钟，特别是空间光钟。

Description

一种面向空间光钟的双重可调光晶格装置

技术领域

本发明属于冷原子技术领域，具体涉及一种应用于空间光钟的静态动态双重可调光晶格装置。

背景技术

原子光钟作为目前国际上最新一代基准原子钟，具有超高的频率准确度和稳定度，原子钟技术对推动科学技术的发展、提高国防能力具有重要的战略意义。特别是将光钟置于太空中(空间站或卫星)相比于地面光钟有着广域覆盖、受地表环境影响小等多方面优势，可以作为未来空间导航和更新一代卫星定位系统的时间基准，受到国际广泛关注。当前我国在这方面的研究处于世界前列，我国已经开展完全独立自主的空间站的建立，应用空间站的特殊有利环境，开展空间高精度时频技术研究，建立空间高精度时频系统，开展前沿基础研究和工程技术应用研究。目前在建的空间高精度时频系统中以锶原子光钟为核心，利用其作为最高精度的基准原子钟驾驭微波原子钟，未来将建立稳定度和不确定度在E-18量级甚至更高的空间时间频率基准。

原子光钟通过超冷原子样品制备提供高精度光学频率标准源，光晶格的装载是冷原子样品制备中非常关键的一步，光晶格装载原子的数目、密度和稳定性直接影响钟跃迁谱线的信噪比，进一步影响光钟最终的稳定度。而为了实现这样的晶格场需要足够的阱深，在一定的晶格光光功率下，晶格光的腰斑会被压缩到百微米，甚至几十微米后入射至真空装置，与冷原子样品进行严格重合。因此，光晶格的搭建是空间光钟中精度和稳定性要求最高的。如何搭建面向空间光钟的光晶格成为了一项关键技术。

地面光钟里光晶格的搭建，晶格光需要通过光纤耦合器、45°反射镜、透镜后入射到MOT区，之后再通过一个透镜和0°反射镜，将晶格光原路返回与入射光严格重合，形成驻波场，如图1所示。而为了很好的将晶格光穿过MOT区原子团的中心，入射时晶格光所通过的光学元器件(光纤耦合器、45°反射镜、透镜)需要安装在一个三维机械平移台上，通过该三维机械平移台对入射晶格光的XYZ三个方向进行调整，以实现晶格光的腰斑穿过原子团的中心，实现最强的晶格束缚。面向空间光钟，这样的复杂且抗振性差的晶格场搭建方式和三维调整方式已经不适用了，因此提供一种适用于空间光钟的晶格搭建方法和装置显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种面向空间光钟的双重可调光晶格装置，借鉴空间冷原子铷钟里对光路调整所使用的光楔对，利用锶原子光钟中亥姆霍兹剩磁补偿线圈，本发明的结构简洁且三维动态可调，稳定且抗振性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向空间光钟的双重可调光晶格装置，包括真空装置、光楔对、平凹镜和亥姆霍兹线圈。

所述的真空装置两端开有透射窗口，激光穿过光楔对后经透射窗口穿过真空装置，被真空装置另一侧的平凹镜压缩光斑并反射回真空装置中，入射光与反射光在真空装置中重合后形成驻波场；真空装置相对垂直的三个方向上分别安装了一对亥姆霍兹线圈。

所述的光楔对通过调节两个光楔的相互位置实现入射激光穿过真空装置中的冷原子样品中心；所述的亥姆霍兹线圈通过加载不同的电流值改变真空装置内部磁场大小，使得冷原子团在磁场的作用下发生移动，实现冷原子团与晶格光的完成重合；通过观察冷原子团在EMCCD上呈现的图像和亮度确定激光的束腰是否刚好位于冷原子样品的位置处，如果此时亮度实现最亮，说明来回反射的晶格光与冷原子样品实现严格重合。

所述的光楔对之间设置有45°反射镜。

所述的入射激光通过光纤准直器后照射到光楔上；所述的光纤准直器为固定焦距和光束直径的准直器。

所述的光楔对由两个光楔组成；所述光楔的楔角为30±10arcmin。

所述的平凹镜的曲率半径为100mm，透射率为0.01％，反射率为99.99％。

所述的亥姆霍兹线圈最大能加载2A的电流，电流控制精度为0.01mA。

本发明的有益效果是：调整光楔对能实现晶格光与原子团的重合，控制三对亥姆霍兹线圈电流值能够将原子团进行三维移动，完成晶格光腰斑与冷原子样品的严格重合，实现光晶格对锶原子的最强稳定束缚，最终提高晶格场装载原子的数目和密度。本发明不仅大大简化了晶格场装置，还进一步提高了晶格场装置的稳定性、抗振性，特别是面向空间光钟苛刻且有限的调节条件下，实现最优的光晶格装载。本发明能够广泛应用于各类中性原子光钟，特别是空间光钟。

地面光晶格搭建过程中需要用到光纤耦合器和透镜来实现对入射晶格光的光斑压缩，用透镜和反射镜来实现对入射晶格光的光斑压缩和返回，且为了实现晶格光与原子团的严格重合，需要对入射晶格光进行三维调节，因此引入三维机械平移台。面向空间光钟，这样的光晶格装置和搭建方式太复杂且抗振性差，且无法应对无人情况下光晶格的优化与调节。

本发明设计了固定焦距和光束直径的光纤准直器代替光纤耦合器和透镜，用平凹镜代替透镜和反射镜，简化了搭建晶格场所需的光学元器件；同时用光楔对替代三维机械平移台实现对晶格光的移动，应对空间站无人操作的特殊实验环境，采用亥姆霍兹线圈动态调节方案，可以实现对冷原子样品的三维操控，完成晶格光与冷原子样品的完全重合。

与地面光晶格搭建技术相比，本发明能适应空间光钟苛刻且有限的调节条件下，实现最优的光晶格装载，通过光楔对静态调节后点胶固化，在配合亥姆霍兹线圈进行动态调节，实现太空无人操作条件下的最优光晶格装载。

附图说明

图1是地面光钟里光晶格的结构示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图中，1-真空装置，2-原子加热炉，3-冷原子样品，4-光纤准直器，5-光楔，6-光楔，7-平凹镜，8-X方向上亥姆霍兹线圈对，9-Y方向上亥姆霍兹线圈对，10-Z方向亥姆霍兹线圈对，11-EMCCD，12-安装板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明所要解决的技术问题在于克服地面光钟系统中光晶格装载时元器件多且抗振性差的缺点，同时应对空间站无人操作情况下实现光晶格的三维可调，将晶格光与冷原子团完全重合，实现最优的光晶格装载。首先，将地面所用的光纤耦合器和透镜集成后设计为光纤准直器，实现在固定焦距和固定腰斑大小的晶格光输出，简化光学元器件的同时，避免了因调节激光入射位置导致激光未通过透镜中心，进而引起光晶格腰斑位置的变化。其次，将地面所用的透镜和反射镜用平凹镜代替，实现将入射晶格光腰斑压缩后原路返回，形成入射和反射晶格光腰斑一致且重合的光晶格驻波场。最后，将地面光晶格搭建时用到的三维机械平移台换成满足于航天要求的光楔对三维调整方案，且配合三对亥姆霍兹线圈，实现晶格光的进一步优化调整，该方案更适用于无人操作的太空环境下光晶格的优化。该技术和方案可以广泛应用于各类中性原子光钟，特别是空间光钟。

解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

在安装板上设置有真空装置、冷原子样品和晶格光光纤准直器，光纤准直器出射的激光经过一对光楔(光楔对之间可以增加45°反射镜从而增加光路的可调性)后垂直入射到真空装置的一个法兰窗口，真空装置的另一侧安装平凹镜(平凹镜用于对晶格光压缩光斑和反射，不能用反射镜代替)，入射光与反射光重合后形成驻波场，在真空装置的XYZ(坐标系的三轴分别指向真空装置的上下左右前后三个方向)三个方向上分别安装了一対亥姆霍兹线圈。本发明面向空间光钟的双重可调晶格场装置分为静态调节和动态调节。静态调节：晶格光通过一对光楔入射到真空装置里，调节光楔对，可以实现晶格入射光穿过真空装置中的冷原子样品中心，之后晶格光被平凹镜原路反射后，晶格入射光与反射光在真空装置中重合，形成驻波场，实现光晶格的装载。动态调节：我们通过控制XYZ方向上加载亥姆霍兹线圈电流值，即可改变真空装置内部磁场大小，使得冷原子团在磁场的作用下发生移动，实现冷原子团与晶格光的完成重合。静态和动态调节晶格场均通过观察晶格装载原子团在EMCCD上呈现的图像和亮度，可以确定激光的束腰是否刚好位于冷原子样品的位置处，如果此时亮度实现最亮，说明来回反射的晶格光与冷原子样品实现严格重合。

该静态动态双重调节方案可应对空间站复杂且无人操作的情况下，晶格场因外界振动或者扰动使得位置稍有偏移后，晶格装载效果变差，使得钟跃迁信号变差。在太空无人操作情况下，远程控制改变亥姆霍兹线圈电流值，使原子团进行三维移动，实现原子团与晶格场的完全重合，完成太空环境下光晶格的动态精密调节。

所述的光纤准直器4为固定焦距和光束直径的准直器，其焦距为100mm，光束直径为110μm。

本发明的光楔5和光楔6的楔角为30±10arcmin。

本发明的平凹镜7的曲率半径为100mm，透射率为0.01％，即反射率为99.99％。

本发明的亥姆霍兹线圈8、9、10分别为XYZ方向上的垂直安装的三对亥姆霍兹线圈，最大能加载2A的电流，电流控制精度为0.01mA。

以锶原子光晶格钟为例，如图2所示，本实施例的可实现空间站环境下光晶格稳定装载的晶格场装置由真空装置1、原子加热炉2、冷原子样品3、光纤准直器4，光楔5、光楔6、平凹镜7、X方向上亥姆霍兹线圈对8、Y方向上亥姆霍兹线圈对9、Z方向亥姆霍兹线圈对10、EMCCD11、安装板12联接构成。

安装板12上用螺纹紧固连接件固定联接有真空装置1、提供锶原子源的原子加热炉2、在真空装置1的几何中心处有冷原子样品3、用于原子成像的EMCCD11。激光经光纤准直器4出射后，通过光楔5、光楔6后射入真空装置1里，穿过冷原子样品3后，进一步被平凹镜7原路反射，在真空装置1中形成驻波场，实现对冷原子样品3的光晶格装载。本发明中通过转动光楔对可以实现对晶格光的上下左右平移，完成晶格光与冷原子样品的静态重合，进一步改变三对亥姆霍兹线圈电流值，使冷原子样品位置发生移动，实现冷原子样品与晶格光的动态精密重合。通过观察晶格装载原子团在EMCCD11上呈现的光晶格图像和亮度，即可确定晶格光的腰斑是否刚好位于冷原子样品3的位置处，如果此时亮度实现最亮，说明晶格光与冷原子样品3实现很好地重合。

本发明的工作原理如下：

在激光最小光斑位置，即腰斑处的囚禁势阱最深，因此将晶格激光腰斑与冷原子样品位置重合后，可实现对冷原子的最强束缚。本发明所使用的光纤准直器，具有固定的焦距和光斑直径，晶格光经光纤准直器出射后，通过转动光楔对可以实现对晶格光的上下左右平移，完成晶格光与冷原子样品的初步重合。进一步通过控制三对亥姆霍兹线圈电流值，亥姆霍兹线圈在真空装置1中心处产生一定大小的偏置磁场，使得冷原子样品在磁场的作用下发生移动，精确控制亥姆霍兹线圈电流值，即可精密控制冷原子样品的位置，使原子团样品与晶格光腰斑完全重合，实现晶格光对冷原子团的的最强束缚，完成最优的光晶格装载。

如此，本发明不仅满足地面光钟的光晶格装载且满足空间光钟里光晶格装载要求，一方面通过光楔对代替了地面所用的三维机械平移台，在有限的调节条件下实现光晶格于冷原子团的初步重合；另一方面通过控制亥姆霍兹线圈电流值，移动冷原子样品，完成晶格光腰斑位置与冷原子样品的严格重合，实现光晶格的最优装载。

Claims (7)

1.一种面向空间光钟的双重可调光晶格装置，包括真空装置、光纤准直器、光楔对、平凹镜和亥姆霍兹线圈，其特征在于，所述的真空装置两端开有透射窗口，在真空装置的几何中心处有冷原子样品，入射光通过光纤准直器后照射到光楔上，所述的光楔对由两个光楔组成；激光穿过光楔对后经透射窗口穿过真空装置，被真空装置另一侧的平凹镜压缩光斑并反射回真空装置中，入射光与反射光在真空装置中重合后形成驻波场；真空装置相对垂直的三个方向上分别安装了一对亥姆霍兹线圈。

2.根据权利要求1所述的面向空间光钟的双重可调光晶格装置，其特征在于，所述的光楔对通过调节两个光楔的相互位置实现入射光穿过真空装置中的冷原子样品中心；所述的亥姆霍兹线圈通过加载不同的电流值改变真空装置内部磁场大小，使得冷原子团在磁场的作用下发生移动，实现冷原子团与晶格光的完成重合；通过观察冷原子团在EMCCD上呈现的图像和亮度确定激光的束腰是否刚好位于冷原子样品的位置处，如果此时亮度实现最亮，说明来回反射的晶格光与冷原子样品实现严格重合。

3.根据权利要求1所述的面向空间光钟的双重可调光晶格装置，其特征在于，所述的光楔对之间设置有45°反射镜。

4.根据权利要求1所述的面向空间光钟的双重可调光晶格装置，其特征在于，所述的光纤准直器为固定焦距和光束直径的准直器。

5.根据权利要求1所述的面向空间光钟的双重可调光晶格装置，其特征在于：所述光楔的楔角为30±10arcmin。

6.根据权利要求1所述的面向空间光钟的双重可调光晶格装置，其特征在于，所述的平凹镜的曲率半径为100mm，透射率为0.01％，反射率为99.99％。

7.根据权利要求1所述的面向空间光钟的双重可调光晶格装置，其特征在于，所述的亥姆霍兹线圈最大能加载2A的电流，电流控制精度为0.01mA。

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