CN1603984A - 相干布局数囚禁冷原子钟 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干布局数囚禁冷原子钟，它由真空泵、玻璃气室、大功率半导体激光器、小功率半导体激光器、窄线宽半导体激光器、高频声光调制器、信号接收处理器、压控晶体振荡器和频率综合倍频器构成，真空泵与玻璃气室相连，大功率半导体激光器与囚禁光束相连，小功率半导体激光器与再泵浦光束相连，窄线宽半导体激光器分别与高频声光调制器、耦合光束和探测光束相连，压控晶体振荡器分别与信号接收处理器和频率综合倍频器相连。本发明结构简单，提高了原子钟的准确度和稳定度，可小型化、商品化。

Description

相干布局数囚禁冷原子钟

技术领域：

本发明涉及一种原子钟装置，尤其涉及以磁光阱中的冷原子为工作物质的相干布局数囚禁原子钟(简称CPT钟)，适用于守时、授时、测距、导航、定位、通信的时间同步等领域。

背景技术：

自从1949年世界上第一台铯(Cs)原子钟问世以来，原子钟的研究受到了极大的关注，各种原子钟也逐步在天文、航空、航天、基础科学研究等方面得到了广泛的应用。传统的原子钟一般由原子样品源、磁场、微波源、微波谐振腔、信号探测与锁定电路组成。其工作原理可简述如下：利用磁场将¹³³Cs的基态6²S_1/2的两个超精细能级(F＝3，4)进行分离只容许特定能级的原子(如F＝3)进入微波谐振腔，进入谐振腔的原子与微波相互作用，当微波的频率与超精细能级共振时，铯原子从F＝3量子态跃迁到F＝4的量子态，然后把经过微波激励的原子利用磁铁产生的磁场，再次分离检测处在F＝4量子态的原子所占的比例，当微波频率与超精细共振频率相等时，该比例最大，利用它可以作为误差信号来对微波源进行锁频，从而实现能跟踪原子超精细共振频率的高精度振荡频率。

近年来，随着激光冷却与囚禁原子技术的发展以及新物理原理的应用，原子钟技术发展十分迅速。人们一方面探索更精确的原子钟，另一方面不断寻求原子钟小型化的新途径。

美国国家标准与技术研究所(NIST)的原子钟从NIST-1发展到NIST-7与NIST-F1，经历了8代，其中NIST-1到NIST-6基本上都是传统的原子钟。1993年，NIST-7投入运营，NIST-7还是基于传统的原子钟的原理，不同的是在进入微波振荡腔之前先用激光对铯原子进行泵浦，使大量的原子预先处入同一原子状态，然后磁场分离进入微波振荡腔，该方法的改进极大地提高了信噪比，因而提高了原子钟的精度。NIST-F1利用了激光进行原子冷却的方法以及原子喷泉技术制作的原子钟，消除了原子运动而引起的多普勒效应对原子钟精度的影响，使原子钟的精度进一步提高。

第一台原子钟由于需要进行原子束发射、聚焦、选态、激发与检测，既要加热，又要抽真空，还需要特别的磁场，因此设备庞大。在光泵浦原子钟技术出现后，原子钟才得到朝小型化发展的机会，特别是半导体激光出现以后，光泵浦铷(Rb)原子钟中的光源与滤波器用频率为ω的半导体激光器代替，通过选择频率为ω的光或激光器激励铷蒸汽腔，由于泵浦作用，处在F＝1能级上的原子在很短时间内耗尽，而在F＝2能级上的原子累积，这时蒸汽腔对光变成透明，当在微波谐振腔内注入微波而且与超精细能级共振时，在超精细能级之间产生跃迁，两能级上的原子数分布发生改变，因而对通过蒸汽腔的光重新建立起吸收机制而产生吸收，利用透射的光信号作为误差信号可以锁定微波振荡源形成原子钟。相干布局数囚禁(CPT：CoherentPopulation Trapping)现象，是指用激光场可以使具有特定构型的原子能级之间产生相干耦合，在基态两个能态之间形成相干布局数囚禁，从而实现无反转光放大或电磁诱导透明。相干布局数囚禁现象已用于研制原小型化的原子钟。相干布局数囚禁原子钟的原理是，两种不同频率的激光场与三能级原子体系作用，如果这两个激光的频率差等于原子两个基态精细结构之间间隔，且满足双光子共振条件，则基态的两个子能级就被相干地耦合起来，子能级上的原子不再从两个激光场中吸收光子，不会被激发到激发态，即原子被囚禁在基态两个子能级上。当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中的透射强度呈现为电磁诱导透明信号。由于电磁诱导透明信号与激光频率相对于原子跃迁频率的失谐量有关，因此电磁诱导透明信号经过处理后可作为误差信号来锁定与声光调制器驱动信号有关的本振信号，从而实现原子钟环路。

在高精确原子钟的发展方面，美国的NIST-F1冷原子喷泉钟是目前国际上最精确的原子钟，它采用了冷原子介质，有效消除了短期稳定度优于1×10^-15，但由于它是传统的微波原子钟，有微波腔结构，并且采用原子喷泉技术，设备的体积十分庞大，高约2米多，只能适用于特殊的场合。而在原子钟的小型化方面，基于相干布局数囚禁原理的室温气泡原子钟已有商品问世，美国Kernco公司生产的常温相干布局数囚禁钟的外形尺寸只有几厘米见方，非常便于携带。但由于受到原子谱线Doppler加宽的限制，原子光谱的线宽Av不够理想，常温相干布局数囚禁钟的稳定度偏低，一般为10^-11～10^-12。

国际上现有的原子钟装置或其实现方案，有两个特点。一是采用冷原子介质的喷泉式微波原子钟，这种方案可达到较高的稳定度；二是选用无微波谐振腔的室温气泡型相干布局数囚禁原子钟，这种方案可以极大地缩小原子钟的体积。稳定度高的冷原子喷泉微波钟往往具有庞大的体积，结构复杂，不便于搬运；而小型化的相干布局数囚禁原子钟，结构简单，但稳定度不高，只能满足较低稳定度指标的要求。目前还没有既具有高稳定度又可小型化的原子钟的可行性方案。

发明内容：

本发明的目的是提供一种相干布局数囚禁冷原子钟，解决原子钟的稳定度和小型化不能兼顾的问题，该原子钟结构简单，稳定度高，可小型化。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

整个装置由真空泵、玻璃气室、大功率半导体激光器、小功率半导体激光器、窄线宽半导体激光器、高频声光调制器、信号接收处理器、压控晶体振荡器和频率综合倍频器构成，真空泵与玻璃气室相连，大功率半导体激光器与囚禁光束相连，小功率半导体激光器与再泵浦光束相连，窄线宽半导体激光器与高频声光调制器、耦合光束和探测光束相连。压控晶体振荡器与信号接收处理器和频率综合倍频器相连。

由真空泵、玻璃气室、样品源、大功率半导体激光器、小功率半导体激光器、冷却与囚禁光束、四分之一波片、再泵浦光束、CCD摄像机、磁场线圈对组成磁光阱系统。样品源与真空泵和玻璃气室相连，玻璃气室与囚禁光束以及再泵浦光束相连，四分之一波片分别与6束囚禁光束相连。玻璃气室、囚禁光束位于磁场线圈对之间。囚禁光束沿轴向穿过磁场线圈对，CCD摄像机位于玻璃气室的一侧的再泵浦光束和1束囚禁光之间。选用碰撞频移较小的铷(Rb)原子样品，且选择丰度较高、基态精细结构间隔较小(3.036GHz)的同位素⁸⁵Rb，以利于提高信噪比、选配频率较低的微波仪器和声光调制器。选取磁光阱中制备的冷原子样品为原子钟的工作介质，从本质上提高原子钟的准确度和稳定度。

选用相干布局数囚禁原子钟方案，省去微波谐振腔结构，进一步减小原子钟的体积。由窄线宽半导体激光器、高频声光调制器、反射镜、耦合光束、偏振分束棱镜、透镜、光电二极管、探测光束、信号接收处理器组成相干布局数囚禁光学系统。玻璃气室与耦合光束和探测光束相连，耦合光束依次通过反射镜、偏振分束棱镜、玻璃气室、偏振分束棱镜，玻璃气室与探测光束相连，探测光束依次通过反射镜、偏振分束棱镜、玻璃气室、偏振分束棱镜、透镜，并与光电二极管相连。探测光束与耦合光束在玻璃气室中反向重合。

由信号接收处理器、压控振荡器、频率综合倍频器、微波信号放大器组成原子钟环路。稳定后的晶体振荡器信号由频率标准信号输出端输出。信号接收处理器与光电二极管相连，频率综合倍频器与微波信号放大器相连，高频声光调制器与波信号放大器相连。压控晶体振荡器与频率标准信号输出端相连。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)选用相干布局数囚禁原子钟方案，并用磁光阱中制备的冷原子介质代替相干布局数囚禁钟通常所采用的热原子，由于冷原子的热运动速度小，冷原子光谱的一级和二级多谱勒加宽很小，有利于原子谱线的精密测量、实现高稳定度原子钟。

(2)由于没有共振吸收的发生，相干布局数囚禁方法可以极大地消除一阶光频移现象，从而提高原子钟的准确度。相干布局数囚禁方法不需要微波信号直接作用于原子，省去了微波作用腔，使装置的结构大为简化。

(3)冷原子介质的相干时间长，有利实现相干布局数囚禁。

(4)选取⁸⁵Rb原子基态3.036GHz的跃迁信号作为钟跃迁信号，并采用3.0GHz的声光调制器来实现相干布局数囚禁激光对，可以选配频率较低的微波仪器设备，在实验技术上容易实施。

(5)用玻璃气室磁光阱构成的相干布局数囚禁冷原子钟，既可以达到喷泉式冷原子微波钟的精确度和稳定度，又可以具备相干布局数囚禁原子钟小型化的优点，有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为相干布局数囚禁冷原子钟的结构示意图。

图2为相干布局数囚禁冷原子钟所采用的铷原子的能级示意图。

具体实施方案：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

真空泵1采用小型溅射离子泵，系统预抽时，离子泵前级还需依次连接波纹管、分子泵和机械泵。在离子泵和波纹管之间用全金属角阀连接。系统预抽结束后，关闭角阀，拆除波纹管、分子泵和机械泵，只需运行离子泵维持系统的超高真空(10^-7Pa)状态。

样品源2在离子泵与主系统之间的连接可阀上烧结一个玻璃小泡，小泡内封装金属铷，作为样品源，小泡内的铷蒸汽会缓慢供入主系统。

玻璃气室3采用全玻璃光学窗片焊接组成的具有规则几何形状的玻璃气室，一端经可阀与样品源、离子泵相连，其余侧面透过多路激光束、安装磁场线圈。

磁场线圈对4用漆包线绕制而成的一对反亥姆赫兹线圈，安装在玻璃气室的一对透光窗面上，通以大小相等、方向相反的电流。选择合适的安匝比，使线圈对在玻璃气室的中心附近沿线圈轴向产生15Gauss/cm左右的磁场梯度。

大功率半导体激光器5一般选用TOPTICA公司的DL100型激光器或其它性能相当的激光器，输出激光功率60mW以上、波长调谐在780.24nm，线性偏振，用来提供冷却原子、组成磁光阱的囚禁光。

冷却与囚禁光束6：将大功率半导体激光器5输出的光，先扩束，再分成强度相等的6束光6a、6b、6c、6d、6e和6f，每束光的功率为10mW左右，组成相向传播的3对光束6a-6b、6c-6d、6e-6f，其中6a-6b、6c-6d光束对沿水平方向，6e-6f沿垂直方向(垂直纸面的方向，没有在图中标出)，3对光束两两垂直，在玻璃气室内、磁场的中心交叉。

四分之一波片7波长为780nm，共6片，包括7a、7b、7c、7d、7e和7f，分别放置在玻璃气室附近光束6a、6b、6c、6d、6e和6f的入射处(四分之一波片6e和6f在垂直方向，没有在图中标出)，让光束从四分之一波片的中心垂直通过，调节四分之一波片的光轴与光束的偏振方向的夹角，使四分之一波片7a、7c、7e的光轴分别与光束6a、6c、6e的偏振方向成顺时针45°角，使四分之一波片7b、7d、7f的光轴分别与光束6b、6d、6f的偏振方向成逆时针45°角。

小功率半导体激光器8一般选用TOPTICA公司的DL100型激光器或其它性能相当的激光器，输出激光功率10mW以上、波长调谐在780.24nm，线性偏振，用来提供再泵浦光束。

再泵浦光束9将小功率半导体激光器8输出的光，先扩束，再让光束沿合适的角度通过玻璃气室，与囚禁光束的交叉点交叠。

CCD摄像机10采用普通的监视用CCD摄像机，与监视器配合使用，用于监视磁光阱中囚禁的冷原子团的荧光信号。小型化时，CCD摄像机可以省去。

窄线宽半导体激光器11选用TOPTICA公司的DL100型激光器或其它性能相当的激光器，输出激光功率15mW以上、波长调谐在795nm，线性偏振，用来提供相干布局数囚禁的耦合光和探测光。

高频声光调制器12选用BRIMROSE公司的高频声光调制器或其它性能相当的高频声光调制器，中心频率为3.0GHz，调谐范围±100MHz。

反射镜13镀780nm、45°入射全反射膜，包括13a、13b和13c三个。

耦合光束14为窄线宽半导体激光器11输出的光束，经高频声光调制器12后的0级光，功率为10mW，水平偏振，用反射镜13a反射后照射磁光阱中的冷原子团。

偏振分束棱镜15的消光比为1000∶1，透光面镀780nm增透膜，共需两个15a、15b。

透镜16为一般光学透镜，最好镀780nm增透膜。

光电二极管17选用一般的大面积、高增益光电二极管。

探测光束18为窄线宽半导体激光器11输出的光束经高频声光调制器12后的-1级光，光束直径限为1mm左右，功率为1μW，竖直偏振，用反射镜13b和13c反射后穿过磁光阱中的冷原子团，经偏振分束棱镜15b与耦合光束14相向传播，并完全包含于耦合光束14中，在玻璃气室的另一侧经偏振分束棱镜15a与耦合光束14分离后，经透镜16聚焦到光电二极管17上。

信号接收处理器19将光电二极管17接收到的光电流信号转换为电压信号，并对其进行微分处理，可用简单的锁相放大电路来完成。

压控晶体振荡器20为商品高稳定度压控晶体振荡器，频率为10MHz或5MHz，短期稳定度优于1×10^-11。

频率综合倍频器21为通用型频率综合器，将压控晶体振荡器20输出的10MHz或5MHz的正弦信号，转换为3036MHz。

微波信号放大器22为通用型微波信号放大器，将频率综合倍频器21输出的3036MHz的微波信号进行功率放大，以输出700～1000mW的信号，用以驱动高频声光调制器12。

频率标准信号输出端23为标准的SMA接口，用以输出稳定后的压控晶体振荡器的频率信号。

根据图1所示，真空泵1、样品源2、玻璃气室3、磁场线圈对4、大功率半导体激光器5、冷却与囚禁光束6、四分之一波片7、小功率半导体激光器8、再泵浦光束9以及CCD摄像机10组成磁光阱系统，主要为相干布局数囚禁冷原子钟制备冷原子样品。根据图2所示，冷却与囚禁光6的频率ω_T调谐在⁸⁵Rb原子D₂线跃迁5S_1/2，F＝3→5P_3/2，F′＝4附近，并且比原子跃迁频率小12MHz左右。再泵浦光束9的频率ω_R调谐在⁸⁵Rb原子D₂线跃迁5S_1/2，F＝2→5P_3/2，F′＝3附近。当系统的真空度优于5×10^-7Pa时，调节好光路和磁场，即可以实现⁸⁵Rb原子的冷却和囚禁，用CCD摄像机10可实时监视冷原团的形成。

根据图1所示，窄线宽半导体激光器11、高频声光调制器12、反射镜13、耦合光束14、偏振分束棱镜15、透镜16、光电二极管17、探测光束18以及信号接收处理器19组成相干布局数囚禁的光学系统。根据图2所示，耦合光14的频率ω_c调谐在⁸⁵Rb原子D₁线跃迁5S_1/2，F＝3→5P_1/2，F′＝3上，相应的探测光18的频率ω_p调谐在⁸⁵Rb原子D₁线跃迁5S_1/2，F＝2→5P_1/2，F′＝3上。在磁光阱系统中制备好冷原子后，就可以实现冷原子的相干布局数囚禁。

信号接收处理器19、压控晶体振荡器20、频率综合倍频器21、微波信号放大器22、高频声光调制器12以及频率标准信号输出端23构成相干布局数囚禁冷原子钟的闭环回路。压控晶体振荡器20产生的本振信号，经频率综合倍频器21合成为3.036GHz的微波信号，再经微波信号放大器22放大后驱动高频声光调制器12。窄线宽半导体激光器11产生的795nm的激光束经过高频声光调制器12的0级光作为相干布局数囚禁耦合光14，-1级衍射光作为相干布局数囚禁探测光18，二者频率相差为3.036GHz，正好等于⁸⁵Rb基态超精细能级的间隔。锁定激光的频率，同时记录探测光18在原子介质中的吸收信号，当微波频率在3.036GHz附近时扫描，由于相干布局数囚禁效应，探测光18的吸收光谱会在微波频率与原子基态跃迁共振时出现电磁诱导透明。电磁诱导透明信号经过处理可以作为误差信号来锁定压控晶体振荡器20的本振信号，从而实现相干布局数囚禁原子钟信号的闭环锁定。

以上技术方案可实现一种结构简单、稳定度高、小型化的原子钟，具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1、一种相干布局数囚禁冷原子钟，它由真空泵(1)、样品源(2)、玻璃气室(3)、大功率半导体激光器(5)、小功率半导体激光器(8)、窄线宽半导体激光器(11)、高频声光调制器(12)、信号接收处理器(19)、压控晶体振荡器(20)和频率综合倍频器(21)构成，其特征是真空泵(1)与玻璃气室(3)相连，大功率半导体激光器(5)与囚禁光束(6a)、(6b)、(6c)、(6d)、(6e)、(6f)相连，小功率半导体激光器(8)与再泵浦光束(9)相连，窄线宽半导体激光器(11)与高频声光调制器(12)、耦合光束(14)和探测光束(18)相连，压控晶体振荡器(20)与信号接收处理器(19)和频率综合倍频器(21)相连。

2、根据权利要求1所述的一种相干布局数囚禁冷原子钟，其特征是样品源(2)与真空泵(1)和玻璃气室(3)相连，玻璃气室(3)与囚禁光束(6a)、(6b)、(6c)、(6d)、(6e)、(6f)及再泵浦光束(9)相连，四分之一波片(7a)、(7b)、(7c)、(7d)、(7e)、(7f)分别与囚禁光束(6a)、(6b)、(6c)、(6d)、(6e)、(6f)相连。

3、根据权利要求1所述的一种相干布局数囚禁冷原子钟，其特征是玻璃气室(3)、囚禁光束(6a)、(6b)、6c)、(6d)位于磁场线圈对(4)之间，囚禁光束(6e)、(6f)沿轴向穿过磁场线圈对(4)，CCD摄像机(10)位于玻璃气室(3)的一侧，CCD摄像机(10)位于囚禁光束(6b)和再泵浦光束(9)之间。

4、根据权利要求1所述的一种相干布局数囚禁冷原子钟，其特征是玻璃气室(3)与耦合光束(14)和探测光束(18)相连，耦合光束(14)依次通过反射镜(13a)、偏振分束棱镜(15a)、玻璃气室(3)、偏振分束棱镜(15b)。

5、根据权利要求1所述的一种相干布局数囚禁冷原子钟，其特征是玻璃气室(3)与探测光束(18)相连，探测光束(18)依次通过反射镜(13b)、(13c)、偏振分束棱镜(15b)、玻璃气室(3)、偏振分束棱镜(15a)、透镜(16)，并与光电二极管(17)相连，探测光束(18)与耦合光束(14)在玻璃气室(3)内反向传播并完全重合。

6、根据权利要求1所述的一种相干布局数囚禁冷原子钟，其特征是信号接收处理器(19)与光电二极管(17)相连，频率综合倍频器(21)与微波信号放大器(22)相连，高频声光调制器(12)与波信号放大器(22)相连，压控晶体振荡器(20)与频率标准信号输出端(23)相连。