CN113917829B

CN113917829B - 一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟

Info

Publication number: CN113917829B
Application number: CN202111293843.1A
Authority: CN
Inventors: 王延辉; 陈思飞; 刘畅; 李源昊
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2041-11-03
Also published as: CN113917829A

Abstract

本发明公开了一种铯束原子钟用光收集器及一种铯束原子钟，其中铯束原子钟用光收集器包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、发光二极管和磁屏蔽层，其中：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，发光二极管安装在光窗筒中。

Description

一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟。

背景技术

原子钟是一种利用原子的跃迁作为标准的计时装置。它是目前最精确的时间和频率标准，因而其应用范围极其广泛：从精密的基础科学测量，如物理常数测定、理论物理验证，到直接服务于人们日常生产生活的工程应用，如全球导航卫星系统等。光检测铯束原子钟具有准确度高、长期稳定性好等特点，是建立和保持高精度、高稳定度守时系统的核心设备，在守时、授时、通信、电力、时频计量等领域有着广泛的应用。随着技术的发展，对光检测铯束原子钟的性能及各项指标都提出了更高的要求，而能否通过有效的方法提高光检测铯原子钟荧光收集效率对提高光检测铯原子钟的性能指标十分关键。现有光收集器的主要问题在于：(1)现有光收集器的收集效率约为36％，光收集器和光电管之间的距离使其收集效率受到明显影响，部分荧光由于光路本身的发散不能到达光电管；(2)光收集器尺寸结构不合理，不能最大程度收集荧光，需要进行优化设计。另一方面，铯原子钟作为一级频标，长期稳定度的好坏是评价铯原子钟优劣最重要的指标。对现有的商用小型光抽运型铯束原子钟及磁选态-光检测型铯束原子钟，影响长期稳定度的主要问题在于：由抽运光和检测光引起的散射光和荧光不可忽略，导致铯原子的光频移较大，使得长期稳定度劣化。

为此，本发明提出一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟，能够提高荧光收集效率，同时降低光频移干扰，提高了铯束原子钟的长期稳定性。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种铯束原子钟用光收集器，包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、发光二极管和磁屏蔽层，其中：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，发光二极管安装在光窗筒中。

所述的光收集器，其中：凸透镜光窗与光窗筒真空钎焊密封，发光二极管紧挨凸透镜光窗并设置在凸透镜光窗上部；光窗筒固定在光收集器外壳的顶面的磁屏蔽层上，凸透镜光窗紧贴光采集控设置，凸透镜光窗的轴线与光采集孔的中心线同轴设置。

所述的光收集器，其中：凸透镜直径略大于光采集孔直径。

所述的光收集器，其中：凸透镜的中心厚度为4mm；光采集孔直径为13mm，凸透镜的直径为15mm。

一种铯束原子钟，包括铯束管，铯炉，选态磁铁，微波腔，光收集器，伺服电路，光电探测器，激光器和激光频率锁定环路，其中：铯炉，选态磁铁，微波腔安装在铯束管中，光收集器安装在铯束管上，所述光收集器是如上之一所述光收集器。

所述的铯束原子钟，其中：原子经过铯炉喷出，经过选态磁体选态；选态后原子进入微波腔，与微波发生两次相互作用，实现原子跃迁；跃迁后的原子进入检测区，激光器出射激光通过激光频率锁定环路实现频率锁定后，进入光收集器与原子相互作用并产生荧光，光电探测器检测到被光收集器汇聚的荧光并转换为电信号，经过伺服电路解调出误差信号来反馈控制微波频率。

所述的铯束原子钟，包括脉冲光时序控制开关，其中：激光器出射激光经过脉冲光时序控制开关，生成为预定周期和占空比的脉冲光，之后再打入光收集器所在的光收集区。

所述的铯束原子钟，其中：在第一个脉冲光周期开始时，脉冲光时序控制开关开启，光电管开始检测荧光信号；经过r_LT_L时间，脉冲光时序控制开关关闭，此时下一个脉冲光周期要检测的铯原子束开始进入微波腔，同时光电管停止检测荧光信号；经过(1-r_L)T_L时间，脉冲光时序控制开关开启，同时光电管开始检测荧光信号；经过4个脉冲光周期，微波调制信号反相，继续重复之前的过程，8个脉冲光周期后，微波调制频率恢复原状。

附图说明

图1为光收集器整体结构示意图；

图2为对透镜焦距的仿真结果；

图3为铯束原子钟的光检测部分原理示意图；

图4为磁选态-光检测铯束原子钟结构示意图；

图5为磁选态-脉冲光光检测铯束原子钟结构示意图；

图6为磁选态-脉冲光光检测方案中，脉冲光、光电管检测和微波调制时序图。

具体实施方式

下面结合附图1-6对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图3所示，为实现对微波频率的闭环锁定,原子钟需要对与微波相互作用之后的铯原子的原子态进行检测。利用激光将|F＝4>态原子激发至|F′＝5>形成循环跃迁，然后利用光电二极管将原子自发辐射产生的荧光转化为电信号，作为原子态检测信号。

如图1所示，铯束原子钟用光收集器包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、光电二极管、磁屏蔽层。

光收集器的外壳为立方体形状，磁屏蔽层焊接在光收集器外壳的六个面上，每个面都由磁屏蔽层覆盖；光收集器外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；光收集器外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，与光窗筒真空钎焊密封，发光二极管安装在光窗筒中紧挨凸透镜光窗，并设置在凸透镜光窗上部；光窗筒固定在光收集器外壳的顶面的磁屏蔽层上，凸透镜光窗紧贴光采集孔设置，凸透镜光窗的轴线与光采集孔的中心线同轴设置。

为了设计光收集器各部分尺寸，我们采用有限元仿真方式对原子发出的荧光以几何光学的形式进行仿真，以汇聚到光电管位置的光子数比例作为依据，对光收集器外壳顶部通孔(光采集孔)的参数、球面反射镜组参数、透镜直径和透镜焦距进行仿真分析。图2为对透镜焦距的仿真结果，通过增加透镜，并选取合适的机械尺寸，可以将荧光收集效率从原先的36％提高到约50％左右。

为了进一步提高汇聚效率，本发明将铯束管平面光窗替换为凸透镜光窗。凸透镜光窗的选择主要考虑的参数有透镜的直径D和透镜的有效焦距f。通过仿真结果可知，加入焦距透镜后光收集器的收集效率有所提高，但是当透镜的直径与通孔直径相当时透镜没有起到最佳效果，透镜尺寸需要略大于通孔尺寸，当通孔尺寸为13mm，透镜的直径D为15mm时，该光收集器的结构达到透镜焦距f＝30mm下的最大收集效率。此外考虑到铯束管内部尺寸的限制，以及随着透镜厚度的增大，虽然透镜的焦距减小，但是其带来的增益不足以补偿光电管位置远离带来的收集效率的减小，因此总的收集效率会随透镜厚度的增加呈下降趋势。因此透镜的中心厚度不能太厚，综上本方案选定中心厚度T＝4mm为透镜光窗厚度。

光收集器的上、下部分贴合后，将上下、左右、前后六块磁屏蔽层按顺序焊牢在光收集器外围。通过凸透镜光窗从铯束管(见图4)外部置入一个包含了光电二极管的光检电路，即完成了高收集效率光收集器的装配。

铯束原子钟用光收集器从结构和光学工艺来说相对简单，加工并不复杂，同时有较高的荧光收集效率。本发明通过对光收集器的一些尺寸参数进行扫描分析，通过仿真手段确定最佳的参数值，优化了光收集器尺寸结构以达到最大的收集效率。提出了利用凸透镜汇聚荧光，并利用凸透镜代替平面光窗的新结构，该方案可以有效地提高光收集器的收集效率，缩小了由于铯束管结构原因光电二极管没有紧贴光收集器造成的收集效率的损失。

图4是本发明铯束原子钟的结构示意图，铯束原子钟包括铯束管，铯炉，选态磁铁，微波腔，光收集器，伺服电路，激光器和激光频率锁定环路。其中铯炉，选态磁铁，微波腔安装在铯束管中，光收集器安装在铯束管上。原子经过铯炉喷出，经过选态磁体选态后实现态制备，在磁选态中通常选|F＝3>的原子。之后，原子进入U型微波腔，与微波发生两次相互作用，实现Ramsey干涉，U型微波腔中的微波频率由压控晶振倍频产生，当微波频率和原子频率一致时，原子跃迁到|F＝4>态的几率最大；跃迁后的原子进入检测区，激光器产生的激光照射检测区，激光和原子相互作用，使|F＝4>的原子在|F＝4>和|F′＝5>态循环跃迁，由此产生荧光。光收集器的光电二极管可将原子自发辐射的荧光转化为电信号，从而得到Ramsey谱线。用伺服系统对微波频率加上一个10²Hz量级的方波调制信号，对光电二极管测得的电信号进行解调、滤波和比例积分微分(PID)处理，通过频率综合模块向晶振(图中未示出)反馈控制微波频率，使其与原子频率一致。

传统的铯束原子钟，激光器产生的是连续的激光，由于抽运光和检测光在与原子相互作用之后，原子会向四周辐射荧光，另外，由于光学表面不理想，激光经过光窗等后会发生散射。荧光和散射光会进入微波腔与原子相互作用，使原子产生光频移。即只要激光处于工作状态，荧光和散射光都不可避免，因此，在连续光工作方案中，光频移是影响铯束原子钟指标的最主要因素之一。为解决这一问题，本发明为激光光路设置了光路开关，使得激光器产生的激光转变为脉冲光，从而减小微波作用时原子感受到的平均光强，来减小光频移的大小。

图5是本发明磁选态-脉冲光光检测铯束原子钟的结构示意图，铯束原子钟包括铯炉，选态磁铁，微波腔，光收集器，伺服电路，激光器，激光频率锁定环路和脉冲光时序控制开关，其中激光频率锁定环路包括饱和吸收谱或其他等价频率锁定环路，用于锁定激光频率。脉冲光时序控制开关包括FPGA、单片机等控制声光调制器或其他等价的光路开关。激光器出射激光经过一个半波片和一个偏振分束镜(PBS)分成两路光，一路经过激光频率锁定环路反馈锁定激光频率。另一路经过脉冲光时序控制开关后产生一束占空比r_L＝0.4，周期T_L＝T_c/8的脉冲光，其中T_c是10^-2s量级的微波频率调制周期。图6是本发明磁选态-脉冲光光检测方案的时序图。在第一个周期开始时，脉冲光开启，这段时间通过微波腔的铯原子在与微波作用时会感受到激光的作用从而产生光频移，同时光电管开始检测荧光信号。经过r_LT_L时间，脉冲光关闭，此时下一个脉冲光周期要检测的铯原子束开始进入微波腔，由于此时没有激光入射，因此这段铯原子不会产生光频移，同时光电管停止检测荧光信号。经过(1-r_L)T_L时间，脉冲光开启，此时该周期要检测的铯原子束正好要通过检测光位置，同时光电管开始检测荧光信号。经过4个脉冲光周期，微波调制信号反相，继续重复之前的过程。8个脉冲光周期后，微波调制频率恢复原状。光电管接收到的电信号通过伺服系统进行解调、滤波和比例积分微分(PID)处理，通过频率综合模块反馈控制微波频率。在上述工作时序下，估算有效光频移的公式为：

其中τ为原子经过微波区的时间，T＝τ/l*L,l为微波区的长度，L为自由漂移区的长度，f(τ)为原子速度分布，b为Rabi频率，v_m为微波的调制频率，

为速度v原子受到的平均光频移。由于在一个微波调制周期T_c中，检测光只有r_LT_c的时间处于开启状态，光电管检测到的该时间段的铯原子在微波腔中受到检测光的照射时间较少，因此光频移相对连续光情况下会有较大的减小。根据公式(1)计算得到在本发明的脉冲光周期和占空比下，有效光频移可减少到原来的18％。由此可以显著提高铯原子钟的长期稳定度。

最后需要注意的是，本发明使用的脉冲光光检测抑制光频移的方案存在多种实现方式。使用的激光频率锁定环路可以采用饱和吸收谱锁定等多种锁定方式，脉冲光时序控制开关可以采用FPGA、单片机等控制AOM或其他等价的光路开关。这些内容均不能构成对本发明的限制。

Claims

1.一种铯束原子钟用光收集器，包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、光电二极管和磁屏蔽层，其特征在于：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，光电二极管安装在光窗筒中；凸透镜光窗与光窗筒真空钎焊密封；光电二极管紧挨凸透镜光窗并设置在凸透镜光窗上部；光窗筒固定在光收集器外壳的顶面的磁屏蔽层上，凸透镜光窗紧贴光采集孔设置，凸透镜光窗的轴线与光采集孔的中心线同轴设置。

2.一种铯束原子钟，包括铯束管，铯炉，选态磁铁，微波腔，光收集器，伺服电路，光电探测器，激光器和激光频率锁定环路，其特征在于：铯炉，选态磁铁，微波腔安装在铯束管中，光收集器安装在铯束管上，所述光收集器是如权利要求1所述光收集器。