CN116819930A - 一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，涉及冷原子技术与原子钟领域，包括第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、真空气室、电光调制器、探测器和伺服反馈电路，通过将冷原子光学粘团技术与原子钟结合在一起构建出基于冷原子光学粘团的冷原子光钟；通过保持探测光的持续作用，在原子被持续冷却的同时，探测光可以持续作用于冷原子光学粘团，从而得到连续稳定的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的连续型光钟，得到连续的原子钟跃迁信号。另外，用作探测原子钟跃迁谱线的探测光和用于冷却原子的再抽运光由同一台激光器提供，可以简化光钟结构。

Description

一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟
技术领域
本申请涉及冷原子技术与原子钟领域，尤其涉及一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟。
背景技术
随着科学技术的进步和人类对时间精确度的更高追求，自量子理论建立以来，时间的参考从宏观世界的石英晶体的振荡频率转变为微观世界的原子跃迁频率，继而出现了以冷原子(或原子系综)为参考的量子频标，如，微波原子钟；进一步地，激光冷却技术的发明与发展又使基于冷原子为参考的微波原子钟得到了极大的应用和发展，在此基础上，冷原子光钟的频率稳定度较微波原子钟提高了几个数量级。
其中，锶原子光钟、镱原子光钟和铝离子光钟等均为目前频率稳定度较高的冷原子光钟。然而，这些冷原子光钟均难以得到连续的原子钟跃迁信号，因而不能用作连续守时，在卫星导航和航空航天等应用领域均受到了限制。
发明内容
本申请提供一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，用以解决现有的冷原子光钟均难以得到连续的原子钟跃迁信号，因而不能用作连续守时的问题。
第一方面，本申请提供一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，包括：第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、真空气室、电光调制器、探测器和伺服反馈电路；
第一激光器，用于发射第一激光，第一激光经第一声光调制器调节激光的失谐后，得到冷却光；
第二激光器，用于发射第二激光，第二激光经第二声光调制器调节激光的失谐后经第一偏振片和第一偏振分光棱镜后，得到再抽运光与探测光。其中，再抽运光与冷却光耦合，之后作用于真空气室，经真空气室冷却后，得到冷原子光学粘团，其中，冷却光与再抽运光的光强与光斑均是匹配的，以提升冷却效果；真空气室包括一级真空气室和两级真空气室，均用于获得连续性冷原子光学粘团；探测光经第三声光调制器调节失谐后传输至电光调制器，由电光调制器调制后作用于冷原子光学粘团，得到冷原子光学粘团对应的钟跃迁谱线，其中，所述电光调制器用于对接收到的激光进行高速调制，调制速率为百千赫兹到百兆赫兹量级；
探测器，用于探测钟跃迁谱线，并将探测到的钟跃迁谱线传输至伺服反馈电路；
伺服反馈电路，用于对钟跃迁谱线进行调制解调，得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号，鉴频信号经过伺服反馈电路反馈至第三声光调制器和第二激光器，以使得第二激光器稳频和完成探测光基于钟跃迁谱线的锁定，并使得经第三声光调制器调节失谐后的探测光连续作用于冷原子光学粘团，以得到连续的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的冷原子光钟，其中，伺服反馈电路的反馈速率比激光线宽的反馈速率大至少一个量级。
一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括第二偏振片、第三偏振片和第二偏振分光棱镜，两级真空气室可以包括二维真空气室和三维真空气室；第二偏振片和第二偏振分光棱镜，用于将冷却光分为第一路冷却光和第二路冷却光，并将再抽运光经第三偏振片和第二偏振分光棱镜后分为第一路再抽运光和第二路再抽运光，其中，第一路再抽运光与第一路冷却光耦合后作用于二维真空气室，在二维真空气室形成二维磁光阱，二维磁光阱用于对原子进行预冷却；第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后作用于三维真空气室，在三维真空气室形成三维磁光阱，三维磁光阱用于对预冷却后的原子进行冷却，得到冷原子光学粘团。
一种可能的实施方式中，二维真空气室和三维真空气室通过差分管连通。
一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还包括以下至少一个：第一反射镜，用于将第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后的光反射至三维真空气室。
一种可能的实施方式中，第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片均为半波片。
一种可能的实施方式中，伺服反馈电路，可以具体用于提供参考信号，并采用参考信号对探测器探测到的钟跃迁谱线进行调制，得到混频信号，之后再对混频信号进行解调，得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号。
一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还包括：信号发生器，分别与第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器连接，信号发生器用于为第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器提供对应的调频信号，调频信号用于对激光进行调频。
一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还包括：信号放大器，信号放大器的输入端连接信号发生器的输出端，用于放大调频信号。
一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括以下至少一个：
第二反射镜，用于将探测光反射至第三声光调制器；
第三反射镜，用于将再抽运光反射至第三偏振片；
第四反射镜，用于将经第三声光调制器调节失谐后的探测光反射至电光调制器。
一种可能的实施方式中，第一激光器和第二激光器均为窄线宽外腔半导体激光器。
本申请提供的一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，通过将冷原子光学粘团技术与原子钟结合在一起构建出基于冷原子光学粘团的冷原子光钟；再将探测后的钟跃迁谱线通过伺服反馈电路反馈至第三声光调制器和第二激光器，实现激光的稳频，并保持探测光的持续作用，在原子被持续冷却的同时，探测光可以持续作用于冷原子光学粘团，从而得到连续稳定的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的连续型光钟，得到连续的原子钟跃迁信号，可应用在航空航天、卫星导航等领域。另外，用作探测原子钟跃迁谱线的探测光和用于冷却原子的再抽运光由同一台激光器提供，可以简化光钟结构。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一实施例提供的冷原子光钟的应用场景示意图；
图2是本申请一实施例提供的基于光学粘团的连续型冷原子光钟的结构示意图；
图3是本申请一实施例提供的基于铷原子光学粘团的铷原子光钟的结构示意图；
图4是本申请另一实施例提供的基于光学粘团的连续型冷原子光钟的结构示意图。
附图标记说明：
1：第一激光器；
2：第二激光器；
3：第一声光调制器；
4：第二声光调制器；
5：第一偏振片；
6：第一偏振分光棱镜；
7：第三声光调制器；
8：真空气室；
9：电光调制器；
10：探测器；
11：伺服反馈电路；
12：第二偏振片；
13：第三偏振片；
14：第二偏振分光棱镜；
15：2D真空气室；
16：3D真空气室；
17：第一反射镜；
18：第二反射镜；
19：第三反射镜；
20：第四反射镜。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
首先，对本申请涉及的部分技术术语进行解释：
真空度：指处于真空状态下的气体稀薄程度，真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思。
电光调制器，对应英文Electro-Optic Modulator，简称EOM，是基于电光效应进行调制，即，是某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此晶体介质时，其传输特性受到影响而改变。
伺服反馈电路，也可称为伺服反馈控制电路、伺服电路系统或稳频系统等。
目前，碱金属原子气体是人类能够实验与利用的重要介质，冷原子光学粘团用作量子参考具有结构简单、冷却技术成熟、原子利用率高、谱线信噪比高、易于连续运行等优点，可用于实现连续运行且可搬运的高性能守时光钟。
相关技术中，现有的冷原子光钟，如，锶原子光钟、镱原子光钟、铝离子光钟等，由于冷却过程的复杂程度，均难以得到连续的原子钟跃迁信号，从而不能用作连续守时。
针对上述问题，本申请提出一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，该光钟利用偏振片和偏振分光棱镜，将激光器(Laser)发射的用于冷却原子得到冷原子光学粘团的再抽运光分出一路探测光用于探测原子，从而得到碱金属原子的钟跃迁谱线，如，铷原子(87Rb或85Rb)的钟跃迁谱线；同时，在俘获原子得到冷原子光学粘团(或冷原子粘团)的过程中，保持探测光的持续作用，在原子被持续冷却的同时，探测光可以持续作用于冷原子光学粘团，以持续探测到原子的钟跃迁谱线，从而得到连续稳定的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的连续型光钟，得到连续的原子钟跃迁信号。
进一步地，该冷原子光钟的探测光和用于冷却原子的再抽运光由同一台激光器提供，可以简化该冷原子光钟的结构。
钟表作为人类社会生活必不可少的工具之一，具有广泛的应用场景。从摆钟到机械钟表，再到石英晶体钟表，计时精度不断提高，而随着现代科学技术的发展，科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率，即钟跃迁谱线，基于这一特点，发展出比石英晶体钟表更高精度的原子钟。而光钟作为目前最具有发展潜力的原子钟，利用激光冷却原子技术制造的冷原子光钟使时间测量的精度进一步提高，有望应用在航空航天、卫星导航等领域。
图1是本申请一实施例提供的冷原子光钟的应用场景示意图。如图1所示，当该冷原子光钟应用在卫星导航时，该应用场景包括客户端101和卫星导航系统102，其中，客户端101的个数均可以为至少一个，卫星导航系统102中安装有冷原子光钟，客户端101可以接收来自卫星导航系统中的冷原子光钟授时的具有更加精确和稳定的计时。
需说明的是，卫星导航系统102也可以替换为其他可以应用冷原子光钟的系统。客户端101可以为手机、电脑、笔记本或个人数字助理(PersonalDigital Assistant，简称PDA)等。
下面结合图1的应用场景，参考图2来描述根据本申请示例性实施方式的冷原子光钟。需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本申请的精神和原理而示出，本申请的实施方式不受图1所示应用场景的限制。
图2是本申请一实施例提供的基于光学粘团的连续型冷原子光钟的结构示意图。如图2所示，本申请实施例中的基于光学粘团的连续型冷原子光钟包括：第一激光器1、第二激光器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、第一偏振片5、第一偏振分光棱镜6、第三声光调制器7、真空气室8、电光调制器9、探测器10和伺服反馈电路11。其中：
第一激光器1，用于发射第一激光，第一激光经第一声光调制器3调节激光的失谐后，得到冷却光；
第二激光器2，用于发射第二激光，第二激光经第二声光调制器4调节激光的失谐后经第一偏振片5和第一偏振分光棱镜6后，得到再抽运光与探测光其中，再抽运光与冷却光耦合，之后作用于真空气室8，经真空气室8冷却后，得到冷原子光学粘团，其中，冷却光与再抽运光的光强与光斑均是匹配的，以提升冷却效果；真空气室包括一级真空气室和两级真空气室，均用于获得连续性冷原子光学粘团；探测光经第三声光调制器7调节失谐后传输至电光调制器9，由电光调制器9调制后作用于冷原子光学粘团，得到冷原子光学粘团对应的钟跃迁谱线，其中，电光调制器9用于对接收到的激光进行高速调制，调制速率为百千赫兹到百兆赫兹量级；
探测器10，用于探测钟跃迁谱线，并将探测到的钟跃迁谱线传输至伺服反馈电路；
伺服反馈电路11，用于对钟跃迁谱线进行调制解调，得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号，鉴频信号经过伺服反馈电路反馈至第三声光调制器7和第二激光器2，以使得第二激光器2稳频和完成探测光基于钟跃迁谱线的锁定，并使得经第三声光调制器7调节失谐后的探测光连续作用于冷原子光学粘团，以得到连续的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的冷原子光钟，其中，伺服反馈电路的反馈速率比激光线宽的反馈速率大至少一个量级。
示例地，由于探测光和再抽运光均由第二激光器所得，因此，一种可能的实施方式中，也可以勿需将探测光单独分开，可以由再抽运光同时保持原子再抽运和探测的作用。
可选地，伺服反馈电路11可以具体用于：提供参考信号，并采用参考信号对探测器探测到的钟跃迁谱线进行调制，得到混频信号；之后对混频信号进行解调，得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号。在实际应用中，激光器并未稳频，即激光器发射出的激光频率是波动的，但在与原子发生作用后，可以探测到一些具有稳定频率的点，再对该点锁定后可以得到稳定的激光频率，因此，本申请在探测光(即激光)与冷原子光学粘团(原子)发生作用后，可通过探测器探测到稳定的钟跃迁谱线，并通过伺服反馈电路得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号，鉴频信号再经过伺服反馈电路中的锁定模块后反馈至第三声光调制器和第二激光器，实现第二激光器的稳频，并锁定激光的频率。
示例地，第一声光调制器3、第二声光调制器4和第三声光调制器7均为基于声光效应的声光调制器(Acousto-Optic Modulator，简称AOM)，其中，声光效应是指光波在介质中传播时，被超生波场衍射或散射的现象。声光调制器包括声光介质、电-声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等。
一些实施例中，探测器10可以为高速光电探测器，用于把光信号转换为电信号。
可选地，第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片均为半波片。
具体地，用作冷却原子的冷却光与再抽运光的光强与光斑均需要调节至匹配才能提升铷原子的冷却效果。如，光斑直径从10-30毫米(mm)之间选择，光功率选择120毫瓦(mw)，可以从六个方向将光射向原子，每个方向20mw，其中，光强等于单位面积的光功率。
示例地，冷却光可以选择直径为25mm的光斑和120mw的光功率，从六个方向将冷却光射向原子，每个方向20mw；再抽运光可以选择直径为25mm的光斑和每个方向2-3mw的光功率；探测光可以选择直径为1mm的光斑和0.1-1mw的光功率。
目前，碱金属原子包括锂(Li)原子、钠(Na)原子、钾(K)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子和钫(Fr)原子，本申请提供的基于光学粘团的连续型冷原子光钟可以采用碱金属原子中的任一种原子制备冷原子光学粘团，如，采用铷原子制备87Rb冷原子光学粘团。另外，不同的碱金属原子对应不同的原子跃迁能级，相应地，需要使用不同波长的激光器，如，采用铷原子制备冷原子光学粘团时，使用780纳米(nm)激光器(也称为D2线)和795nm激光器(也称为D1线)。在具体应用时，可以根据不同的碱金属原子对应不同的D1线和D2线，D1线和D2线会分别会对应不同的波长(nm)。
根据实际情况可知，碱金属原子D1线及D2线跃迁速率通常处于MHz量级，因此单位时间内探测原子的次数相比基于窄线宽跃迁的光钟可提升六个量级，等效地进一步增加原子数目和谱线信噪比。经估算，本申请提供的基于光学粘团的连续型冷原子光钟通过较为简单的原子体系，如，铷原子体系，可实现媲美目前最高精度光钟的短期稳定度。
在实际应用中，原子数目是能够提升冷原子光钟参考信号信噪比的关键，俘获的冷原子数目增多，冷原子光钟参考信号的信噪比会随之提高，进而冷原子光钟的频率稳定度提高。
具体地，以铷原子为例，本申请通过制备原子数目可以达到109的连续型铷原子光学粘团，得到一个稳定的量子参考。以87Rb冷原子光学粘团为量子参考，能够极大消除原子的多普勒效应与原子间的碰撞所带来的频移效应；同时，俘获的冷原子数目(即铷原子数目)达至109又可以极大地提升冷原子光钟参考信号的信噪比，进而提升冷原子光钟的频率稳定度。本申请基于铷原子光学粘团得到的铷原子光钟的频率稳定度理论上可媲美现有最好的冷原子光钟。
本申请实施例提供的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，通过将冷原子光学粘团技术与原子钟结合在一起构建出基于冷原子光学粘团的冷原子光钟；再将探测后的钟跃迁谱线通过伺服反馈电路反馈至第三声光调制器和第二激光器，实现激光的稳频，并保持探测光的持续作用，在原子被持续冷却的同时，探测光可以持续作用于冷原子光学粘团，从而得到连续稳定的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的连续型光钟，得到连续的原子钟跃迁信号，可应用在航空航天、卫星导航等领域。
另外，用作探测原子钟跃迁谱线的探测光和用于冷却原子的再抽运光由同一台激光器提供，可以简化光钟结构。
一些实施例中，真空气室8可以为一级真空气室，也可以为两级真空气室等，均用于获得连续性冷原子光学粘团。其中，可以通过超高真空技术使得两级真空气室，即二维(2D)真空气室和三维(3D)真空气室，的真空度分别维持在10-7帕斯卡(Pa)和10-9Pa，为原子的冷却提供高真空环境。其中，3D真空气室的真空度更高，可以减少其他原子碰撞的损耗，保持原子的寿命。另外，使用两级真空气室是为了获得更多数量的连续性冷原子光学粘团，如铷原子光学粘团，以及保持冷原子的寿命为毫秒(ms)量级，为获得连续性冷原子钟跃迁谱线奠定基础。
另外，若真空气室8为一级真空气室，则该一级真空气室可以是二维真空气室，也可以是三维真空气室，可根据具体的需求进行设置，此处不作限制。
若真空气室8为多级真空气室，则多级真空气室之间是连通的。示例地，二维真空气室和三维真空气室可以通过差分管连通。其中，差分管可以用于维持两个真空气室各自的压强，避免气体流动使两个真空气室压强一致。
基于上述实施例，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括第二偏振片、第三偏振片和第二偏振分光棱镜，两级真空气室可以包括二维真空气室和三维真空气室；第二偏振片和第二偏振分光棱镜，用于将冷却光分为第一路冷却光和第二路冷却光，并将再抽运光经第三偏振片和第二偏振分光棱镜后分为第一路再抽运光和第二路再抽运光。其中，第一路再抽运光与第一路冷却光耦合后作用于二维真空气室，在二维真空气室形成二维磁光阱，二维磁光阱用于对原子进行预冷却；第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后作用于三维真空气室，在三维真空气室形成三维磁光阱，三维磁光阱用于对预冷却后的原子进行冷却，得到冷原子光学粘团。其中，磁光阱(Magneto-OpticalTrap，简称MOT)是一种囚禁中性原子的有效手段，可以有效俘获原子，如铷原子，并在2D真空气室和/或3D真空气室通过冷原子光学粘团技术对俘获的原子进行冷却，得到冷原子光学粘团。
作为一种示例，以基于光学粘团的连续型冷原子光钟为铷原子光学粘团的铷原子光钟进行说明。如图3所示，该铷原子光钟可以包括：第一激光器1、第二激光器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、第一偏振片5、第一偏振分光棱镜6、第三声光调制器7、电光调制器9、探测器10、伺服反馈电路11、第二偏振片12、第三偏振片13、第二偏振分光棱镜14、2D真空气室15和3D真空气室16。
其中，对于铷原子光钟，第一激光器1可以为780nm激光器，第二激光器2可以为795nm激光器。具体地，使用87Rb的780nm激光器发射的780nm激光用作冷却原子过程中的冷却光，使用87Rb的795nm激光器发射的795nm激光用作冷原子过程中的再抽运光和钟跃迁谱线的探测光。
其中，780nm激光器发射的780nm激光经过第一声光调制器3调节激光的失谐后(即，对激光的频率进行移频操作后)经第二偏振片12，再经第二偏振分光棱镜14后分为两路冷却光，即，第一路冷却光与第二路冷却光，分别用作2D真空气室15和3D真空气室16的冷却光。795nm激光器发射的795nm激光经过第二声光调制器4调节激光的失谐后经第一偏振片5，再经第一偏振分光棱镜6后分为用作原子冷却的再抽运光与探测钟跃迁谱线的探测光。其中，再抽运光可以在经过第三偏振片13后，再经第二偏振分光棱镜14，分为第一路再抽运光与第二路再抽运光，第一路再抽运光与780nm的第一路冷却光耦合在一起之后，作用于2D真空气室15，第二路再抽运光与780nm的第二路冷却光耦合在一起后，作用于3D真空气室16。
与上述实施例对应，仍参考图3，对于铷原子光钟，第一路再抽运光与第一路冷却光耦合后在2D真空气室15形成2D磁光阱(2D MOT)，对铷原子进行预冷却后，可以使用一束近共振的光将铷原子从2D真空气室15转移至3D真空气室16，其中，在3D真空气室16中，第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后形成3D磁光阱(3D MOT)，再次对铷原子进行3D磁光阱的俘获与冷却后，再利用光学粘团技术对铷原子进一步冷却即可得到铷原子光学粘团。其中，一束近共振的光可以是780nm的光，也可以是780nm附近的光，相当于给2D真空气室15中预冷却后的铷原子施加一个外力，实现铷原子从2D真空气室15到3D真空气室16的转移。
在上述实施例的基础上，完成铷原子的冷却后，可以将795nm的探测光作用于冷原子光学粘团，即，铷原子光学粘团。具体地，通过扫描第三声光调制器7的驱动频率从而扫描探测光的失谐，并对失谐的探测光进行调制(即激光移频)后到达电光调制器9，电光调制器9可以对接收到的激光进行高速调制，调制速率在百千赫兹(kHz)-百兆赫兹(MHz)量级，并将调制后的探测光作用于3D真空气室16中的铷原子光学粘团，之后再使用探测器10探测与铷原子光学粘团发生作用后的激光，或探测铷原子光学粘团发射的荧光信号，从而可以得到795nm的铷原子光钟的钟跃迁谱线。
基于已经得到的钟跃迁谱线，在经过伺服反馈电路11完成解调后反馈至第三声光调制器7和第二激光器2，即795nm激光器，其中，伺服反馈电路11的反馈速率相比激光线宽的反馈速率大一个量级以上，实现795nm激光器的稳频，并由此将795nm的探测光锁定在87Rb原子的钟跃迁谱线上，从而实现基于铷原子光学粘团的铷原子光钟。
另外，795nm激光器实现稳频后，发出稳频后的795nm激光同样通过第一偏振片5、第一偏振分光棱镜6后分为再抽运光与探测光，探测光在经过第三声光调制器7后，再经过电光调制器9，之后通过存在铷原子光学粘团的真空气室16后被探测器10探测到。在整个铷原子冷却过程中，可以一直保持探测光打开，用于持续冷却和探测铷原子，当探测光持续作用于铷原子光学粘团时，可以获得连续性铷原子光钟的钟跃迁谱线。
获得连续性铷原子光钟的钟跃迁谱线后，可以将探测器探测到的稳定的钟跃迁谱线(或探测信号)接入伺服反馈电路11，与伺服反馈电路11中的标准信号源提供的参考信号混频后得到混频信号，再通过伺服反馈电路11中的其他电学元件鉴别混频信号，从而完成钟跃迁谱线的调制解调过程，并获得基于此钟跃迁谱线的鉴频信号；然后鉴频信号经过伺服反馈电路11后反馈至第三声光调制器7和795nm激光器，从而完成基于795nm激光的铷原子的钟跃迁谱线的锁定。在整个过程中，由于探测光连续作用于铷原子光学粘团，所以可以获得连续性铷原子光钟的钟跃迁谱线(或钟跃迁参考信号)，从而实现基于铷原子光学粘团的连续型光钟，即完成钟跃迁谱线的连续型探测。
另一种实施例中，由于探测光和再抽运光均由第二激光器所得，所以，可以去掉额外的探测光，而是利用再抽运光去完成探测光的探测作用，从而达到一光两用的目的，保证基于光学粘团的连续型冷原子光钟的简洁性。示例地，如图4所示，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括：第一激光器1、第二激光器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、第三声光调制器7、第二偏振片12、第三偏振片13、第二偏振分光棱镜14、2D真空气室15、3D真空气室16、电光调制器9、探测器10和伺服反馈电路11。
其中，第一激光器1发射的第一激光，经第一声光调制器3调节激光的失谐后，再经第二偏振片12和第二偏振分光棱镜14后，得到第一路冷却光和第二路冷却光。第二激光器2发射的第二激光，经第二声光调制器4调节激光的失谐后，再经第三偏振片13和第二偏振分光棱镜14后，得到第一路再抽运光和第二路再抽运光。
其中，第一路再抽运光与第一路冷却光耦合后作用于2D真空气室15；第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后作用于3D真空气室16。其中，第一路再抽运光与第一路冷却光耦合后作用于2D真空气室15时，原子还未冷却完成，不需要去探测冷原子光学粘团，所以第一路再抽运光不需要实现探测作用；而当第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后作用于3D真空气室16后，原子冷却完成，所以可以用第二路再抽运光代替探测光，探测3D真空气室16中冷却完成的冷原子光学粘团。具体地，第二路再抽运光作为探测光使用后，会在经过第三声光调制器7和电光调制器9调制后作用于3D真空气室16中的冷原子光学粘团，得到冷原子光学粘团对应的钟跃迁谱线。进一步地，相当于将探测光与第二路再抽运光合为一束，可以简化基于光学粘团的连续型冷原子光钟的结构。
另外，电光调制器9、探测器10和伺服反馈电路11等的作用与上述实施例相同，此处不再赘述。
一些实施例中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括以下至少一个：第一反射镜，用于将第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后的光反射至三维真空气室。例如图3中所示的第一反射镜17，其中，第二路再抽运光与第二路冷却光耦合在一起后，可以再经过第一反射镜17后，作用于3D真空气室16。可以理解，第一反射镜可以改变光的传输路径，以达到上述效果。
进一步地，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括：信号发生器(未示出)，分别与第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器连接，信号发生器用于为第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器提供对应的调频信号，调频信号用于对激光进行调频。其中，信号发生器可以为射频信号源。
相应地，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括：信号放大器(未示出)，信号放大器的输入端连接信号发生器的输出端，用于放大调频信号。其中，信号放大器可以为射频放大器。
示例地，第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器均由射频信号源经过射频放大器将信号放大后驱动，通过调节射频信号源的驱动频率即可完成对实验所需要激光失谐的调节。如，想要改变激光的频率，如，移频50MHz，需要射频信号源提供外来信号。具体地，使用射频信号源发出一个信号，然后通过射频放大器将信号放大后驱动至声光调制器，同时要确保放大后的信号可以实现激光频移50MHz。
一些实施例中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括以下至少一个：第二反射镜，用于将探测光反射至第三声光调制器；第三反射镜，用于将再抽运光反射至第三偏振片；第四反射镜，用于将经第三声光调制器调节失谐后的光反射至电光调制器。仍参考图3，对于第二反射镜18，可以通过第二反射镜18将探测光反射至第三声光调制器7；对于第三反射镜19，再抽运光可以在依次经过第三反射镜19和第三偏振片13后，再经第二偏振分光棱镜14，分为第一路再抽运光和第二路再抽运光；对于第四反射镜20，对失谐的探测光进行调制(即激光移频)后，通过第四反射镜20反射至电光调制器9。
在实际应用中，第一激光器和第二激光器可以均为窄线宽外腔半导体激光器，还可以为其他型号的激光器，此处不作限制。
在本申请中，冷原子光学粘团的连续稳定是实现基于光学粘团的连续型冷原子光钟的关键点之一，例如，如果制备铷原子光学粘团的过程是连续的，就可以获得一个稳定连续的钟跃迁谱线，或者在上一轮铷原子光学粘团寿命结束前，迅速开启新的铷原子冷却过程，即冷却周期小于铷原子光学粘团寿命，进而实现连续型铷原子光学粘团的制备。
本领域技术人员可以理解，图2、图3和图4示出的结构示意图并不构成对基于光学粘团的连续型冷原子光钟的限定，可以包括比图示更多或更少的组件，或者组合某些组件，或者不同的部件布置。
综上所述，本申请至少具有以下优势：
1、与传统微波钟相比，基于光学粘团的连续型冷原子光钟，如，铷原子光钟的稳定度会提升至少两个数量级。
2、通过将冷原子光学粘团技术与原子钟结合在一起构建出基于冷原子光学粘团的连续型冷原子光钟，如，基于铷原子光学粘团得到的铷原子光钟，的频率稳定度理论上可媲美现有最好的冷原子光钟。
3、使用原子冷却过程中的再抽运光分出一路用作探测原子钟跃迁谱线的探测光，不需要再额外使用激光器，为冷原子光钟光路系统的小型化提供一个新思路。
4、将探测光连续作用于冷原子光学粘团，如，铷原子光学粘团，可以获得连续性铷原子光钟的钟跃迁谱线(或钟跃迁参考信号)，从而为实现基于铷原子光学粘团的连续型光钟奠定了基础；进一步地，为基于铷原子光学粘团的冷原子光钟的连续守时提供了可能性，未来可能应用在航空航天、卫星导航等领域。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，包括：第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、真空气室、电光调制器、探测器和伺服反馈电路；
所述第一激光器，用于发射第一激光，所述第一激光经所述第一声光调制器调节激光的失谐后，得到冷却光；
所述第二激光器，用于发射第二激光，所述第二激光经所述第二声光调制器调节激光的失谐后经所述第一偏振片和所述第一偏振分光棱镜后，得到再抽运光与探测光；其中，所述再抽运光与所述冷却光耦合，之后作用于所述真空气室，经所述真空气室冷却后，得到冷原子光学粘团，其中，所述冷却光与所述再抽运光的光强与光斑均是匹配的，以提升冷却效果；所述真空气室包括一级真空气室和两级真空气室，均用于获得连续性冷原子光学粘团；所述探测光经所述第三声光调制器调节失谐后传输至所述电光调制器，由所述电光调制器调制后作用于所述冷原子光学粘团，得到所述冷原子光学粘团对应的钟跃迁谱线，其中，所述电光调制器用于对接收到的激光进行高速调制，调制速率为百千赫兹到百兆赫兹量级；
所述探测器，用于探测所述钟跃迁谱线，并将探测到的钟跃迁谱线传输至所述伺服反馈电路；
所述伺服反馈电路，用于对所述钟跃迁谱线进行调制解调，得到所述钟跃迁谱线对应的鉴频信号，所述鉴频信号经过所述伺服反馈电路反馈至所述第三声光调制器和所述第二激光器，以使得所述第二激光器稳频和完成探测光基于钟跃迁谱线的锁定，并使得经所述第三声光调制器调节失谐后的探测光连续作用于冷原子光学粘团，以得到连续的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的冷原子光钟，其中，所述伺服反馈电路的反馈速率比激光线宽的反馈速率大至少一个量级。
2.根据权利要求1所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括第二偏振片、第三偏振片和第二偏振分光棱镜，所述两级真空气室包括二维真空气室和三维真空气室；
所述第二偏振片和所述第二偏振分光棱镜，用于将所述冷却光分为第一路冷却光和第二路冷却光，并将所述再抽运光经所述第三偏振片和所述第二偏振分光棱镜后分为第一路再抽运光和第二路再抽运光；
其中，所述第一路再抽运光与所述第一路冷却光耦合后作用于所述二维真空气室，在所述二维真空气室形成二维磁光阱，所述二维磁光阱用于对原子进行预冷却；所述第二路再抽运光与所述第二路冷却光耦合后作用于所述三维真空气室，在所述三维真空气室形成三维磁光阱，所述三维磁光阱用于对预冷却后的原子进行冷却，得到所述冷原子光学粘团。
3.根据权利要求2所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述二维真空气室和所述三维真空气室通过差分管连通。
4.根据权利要求2所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括以下至少一个：第一反射镜，用于将所述第二路再抽运光与所述第二路冷却光耦合后的光反射至所述三维真空气室。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述第一偏振片、所述第二偏振片和所述第三偏振片均为半波片。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述伺服反馈电路，具体用于：
提供参考信号，并采用所述参考信号对所述探测器探测到的所述钟跃迁谱线进行调制，得到混频信号；
对所述混频信号进行解调，得到所述钟跃迁谱线对应的鉴频信号。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括：信号发生器，分别与所述第一声光调制器、所述第二声光调制器和所述第三声光调制器连接，所述信号发生器用于为所述第一声光调制器、所述第二声光调制器和所述第三声光调制器提供对应的调频信号，所述调频信号用于对激光进行调频。
8.根据权利要求7所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括：信号放大器，所述信号放大器的输入端连接所述信号发生器的输出端，用于放大所述调频信号。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括以下至少一个：
第二反射镜，用于将所述探测光反射至所述第三声光调制器；
第三反射镜，用于将所述再抽运光反射至所述第三偏振片；
第四反射镜，用于将经所述第三声光调制器调节失谐后的光反射至所述电光调制器。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器均为窄线宽外腔半导体激光器。
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