CN201118551Y

CN201118551Y - 相干微波辐射冷原子钟

Info

Publication number: CN201118551Y
Application number: CNU2007200869633U
Authority: CN
Inventors: 李润兵; 王谨; 詹明生
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2017-09-13

Abstract

本实用新型公开了一种相干微波辐射冷原子钟，离子泵与真空导管相连，真空导管与微波腔相连，通光窗口用石英玻璃窗，三块反射镜固定在微波腔内，一对反亥姆霍兹线圈和一对亥姆霍兹线圈固定在微波腔上，一对矩形线圈固定在微波腔上，磁屏蔽系统与真空系统相连，半导体激光器提供囚禁光和回泵光光束，垂直腔面发射半导体激光器提供相干布居数囚禁激光光束，压控晶体振荡器与频率综合器相连，频率综合器与信号接收处理器、垂直腔面发射半导体激光器和微波腔相连，光电探测器、微波功率接收器与信号接收处理器相连，信号接收处理器与压控晶体振荡器和垂直腔面发射半导体激光器相连，本实用新型结构紧凑，体积小，稳定性和准确度好，实用性强。

Description

相干微波辐射冷原子钟

技术领域

本实用新型涉及一种原子钟领域，更具体涉及一种相干微波辐射冷原子钟，以长条形磁光阱中的厚光学厚度的冷原子为工作物质，在微波腔和经过微波调制的激光边带作用下，利用相干布居数囚禁的吸收探测信号和相干微波辐射的微波功率接受信号同步锁定垂直腔面发射半导体激光器和压控晶体振荡器，适用于守时、授时、测距、导航、定位、通信时间同步等领域。

背景技术

在过去的50年，原子频率标准有了长足的进展。主动型氢原子钟的稳定性在10^-16量级，铯原子喷泉钟的准确度优于1×10^-15。从实用的角度考虑，小型化的稳定的频率标准有着更广泛的应用，比如铯束钟和光泵铷钟。传统的原子钟利用氢原子或者碱金属原子的两个基态间的跃迁作为原子的共振跃迁频率参考，通常用磁共振技术来探测，用磁场空间分离或者光泵作用实现原子态的制备，以增强共振探测信号。氢原子或碱金属原子作为原子共振频率基准，其两个基态超精细能级之间的跃迁频率在微波范围内，可以通过传统的磁共振技术来探测，其实现方式的共同属性是态选择的使用，要么通过磁空间偏移，要么通过光泵浦作用，在态制备后的原子系综中，共振探测信号得到增强。近年来，随着激光冷却技术的发展，实现原子钟的新的物理机制也在探索中，比如，相干布居数囚禁钟，光学频率标准(光钟)。以冷原子作为工作介质的冷原子钟已经提上日程，它有效的减小了物理信号的多普勒效应，其准确度和稳定性优于以热原子作为工作介质的同类原子钟，

在研究激光与原子的相互作用时，激光诱导的原子相干和量子干涉现象值得关注，G.Orriols等在1976年用双模激光器在钠(Na)原子的精细结构中观察到原子相干效应。在一个Λ型三能级原子(两个基态，一个激发态，只有基态和激发态之间存在两个偶极跃迁)与两个激光场作用时，如果光场与原子的耦合满足双光子共振条件，原子的布居数将被囚禁在两个基态的叠加态上，这个态被称为暗态，处于暗态的原子不与光场相互作用，不再吸收光子跃迁到激发态。碱金属原子中的相干布居数囚禁为实现原子钟提供了一种有效的方法。可以用不同的方法观测到该现象，在光泵浦系综的荧光光谱中能观测到一条狭窄的“黑”线，在吸收探测中，满足双光子共振时系统不吸收能量而成为透明的。因此，这种现象在荧光辐射中表现为黑线(一般称为暗线)，在传播辐射场中表现为共振传输的增强(常常称为亮线)，这个共振现象反映了碱金属原子基态超精细共振的所有性质，可用于实现原子频率标准，类似于使用微波-光泵浦双共振实现原子钟的传统方法。Thomas等人第一次成功实现了该现象的类似应用，在这些实验中，仅仅使用无微波腔的Ramsey光束，将基于钠原子束的该现象用于实现一种Ramsey型的分离振荡场的相互作用区域。在上世纪九十年代中期，开始了将囚禁单元相干布居数现象用于实现小型原子频标的应用的尝试。在通常的情况下，热原子玻璃泡的光学厚度受到缓冲气体压力和碱金属原子密度的控制，前者加宽吸收谱线宽度，后者影响光学吸收。在实践中，操作温度要使得系综成为光学厚度的介质(Rb：T>50℃，Cs：T>40℃)，并且要求更加精心的设计。但是在冷原子系综中，原子的光学厚度由原子的密度和温度决定，用圆偏振光将原子基态和激发态联系在一起，基态m_F＝0→m_F′＝0跃迁是理想选择，以减小磁场对原子钟准确度的影响。

迄今为止，原子钟的实现，包括主动的或被动的，光束形式的或含有缓冲气体封闭单元形式的，也包括了冷原子介质的，热原子加缓冲气体的，但是指标都不是很高。在原子钟的小型化方面，基于相干布居数囚禁原理的室温泡原子钟的产品已经问世，美国Kernco公司生产的常温相干布居数囚禁钟受到原子谱线多普勒加宽的限制，原子谱线的线宽不够理想，其稳定性都偏低，一般为10^-11到10^-12。在中国，已经申请的相干布居数囚禁冷原子钟是采用传统的磁光阱作为冷原子介质，高频的声光调制器产生相干布居数囚禁光的耦合光和探测光，用探测光的相干布居数囚禁信号对压控晶体振荡器的锁定，该系统是利用传统的电磁诱导透明的方法实现相干布居数囚禁冷原子钟。其优点是利用冷原子相干布居数囚禁信号锁定压控晶体振荡器来实现原子钟，但是在实现高指标的原子钟方面还存在着缺陷，其原因是光与原子相互作用的时间较短，渡越时间较短不利于减小相干布居数囚禁信号的半高宽，用于相干布居数囚禁的窄线宽半导体激光器的频率没有锁定，其准确度和稳定性不高，也不利于原子钟的小型化。

微波和相干光的共同参与可以实现相干的微波辐射，类似于主动型氢原子钟。两个光耦合一个三能级系统(两个基态和一个激发态)，当两个光满足双光子共振的条件时，在荧光探测时出现暗线，在吸收探测时出现亮线，同时探测微波的辐射功率时会出现微波功率的相干辐射增强，在1998年J.Vanier对此作了详细理论的推导和解释，当扫描激光的调制频率时微波相干辐射的线形是洛伦兹线形，辐射功率和线宽都有理论的计算和解释。相干微波辐射较相干布居数囚禁信号有着更高的信噪比，在实现主动相干布居数囚禁冷原子钟，即相干微波辐射冷原子钟的小型化和提高原子钟的稳定性、准确度等方面都有着自身的优势。

发明内容

本实用新型的目的是在于提供一种相干微波辐射冷原子钟，采用长条形的磁光阱系统，通过增加冷原子团的光学厚度来解决冷原子相干布居数囚禁中原子和光相互作用渡越时间较短的问题；采用相干微波辐射实现主动相干布居数囚禁，利用相干布居数囚禁的吸收探测信号和相干微波辐射功率探测信号实现对垂直腔面发射半导体激光器和压控振荡器的同步锁定，解决相干布居数囚禁冷原子钟的准确度和稳定性的问题。该原子钟结构紧凑，体积小，稳定性和准确度好，实用性强。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种相干微波辐射冷原子钟，它包括真空系统、反射镜、分束镜、四分之一波片、反亥姆霍兹线圈、亥姆霍兹线圈、矩形线圈、磁场屏蔽系统、半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器、光电探测器、微波功率接收器、信号接收处理器、压控晶体振荡器和频率综合器构成，其特征在于真空系统屏蔽在磁场屏蔽系统内，真空系统包括离子泵、真空导管、微波腔、石英玻璃窗，离子泵与真空导管相连，真空导管与微波腔相连，真空导管与微波腔上有石英玻璃窗，石英玻璃窗作为通光窗口，三块反射镜固定在微波腔内，一对反亥姆霍兹线圈和一对亥姆霍兹线圈固定在微波腔的轴向方向上，一对矩形线圈固定在微波腔的径向方向上，半导体激光器提供囚禁光束和回泵光束，垂直腔面发射半导体激光器输出相干布居数囚禁激光光束，压控晶体振荡器与频率综合器相连，频率综合器与信号接收处理器、垂直腔面发射半导体激光器和微波腔相连，光电探测器和微波功率接收器与信号接收处理器相连，信号接收处理器与压控振荡器和垂直腔面发射半导体激光器相连。

由离子泵、真空导管、微波腔、石英窗、反射镜、四分之一波片、半导体激光器(提供冷却光，回泵光)、分束镜、透镜柱面镜整形系统、样品源、反亥姆霍兹线圈和矩形线圈组成长条形磁光阱系统。微波腔、反亥姆霍兹线圈、亥姆霍兹线圈和矩形线圈放置在磁场屏蔽系统内。真空导管与微波腔相连组成真空系统，通光窗口用石英玻璃窗，反射镜以一定角度固定在微波腔内表面提供磁光阱所需要的冷却囚禁激光分束，样品源和真空导管差分相连，选用铷(⁸⁷Rb)原子样品，用激光冷却后的⁸⁷Rb原子的超精细结构的磁子能级(选用m_F＝0→m_F′＝0的跃迁，其频率是6.835GHz)的跃迁频率作为原子钟锁定信号的参考，有效的消除了一阶Zeeman效应。磁光阱被屏蔽在磁场屏蔽系统内，有效地减小了杂散磁场的影响。

有效地集成了微波腔和真空系统的一体化，进一步减小了原子钟的体积，微波腔和相干布居数囚禁的结合实现了主动型相干布居数囚禁，由垂直腔面发射半导体激光器、分束镜、四分之一波片和光电探测器组成相干布居数囚禁的光学系统，一对亥姆霍兹线圈提供恒定的磁场保证量子化轴的方向，由压控振荡器的输出信号(10MHz)经过频率综合器倍频得到的微波信号(3.4GHz)与垂直腔面发射半导体激光器电流高频调制端相连，调制后的激光光束(两个边带相差6.8GHz，正好是⁸⁷Rb的基态间隔)经过四分之一波片后沿着磁场的方向通过冷原子团的长条方向，吸收探测相干布居数囚禁信号经过光电探测器送入信号接收处理器。

压控晶体振荡器与频率综合器相连，倍频微波信号输入微波腔的微波输入端和垂直腔面发射半导体激光器的电流高频调制端，低频信号(10KHZ)输入垂直腔面发射半导体激光器的电流低频调制端和信号接收处理器的参考端，压控晶体振荡器、频率综合器、微波功率接收器、信号处理器组成闭合环路。压控晶体振荡器的输出信号经过频率综合器倍频后的微波信号(6.8GHz)送入微波腔，相干微波辐射信号通过微波功率接收器送入信号接收处理器，处理解调后的纠偏信号锁定压控晶体振荡器，由相干布居数囚禁的吸收探测信号经过信号接收处理器处理调制后得到的误差信号锁定垂直腔面发射半导体激光器，实现同步锁定垂直腔面发射半导体激光器和压控晶体振荡器。

由微波功率接收器、信号接收处理器、10MHz的压控振荡器和频率综合器组成原子钟的闭环锁定环路。稳定后的压控振荡器输出的10MHz信号作为原子钟频率标准。光电探测器和微波功率接收器与信号接收处理器相连，信号接收处理器的信号参考端与频率综合器相连，频率综合器的10KHz信号送入垂直腔面发射半导体激光器的电流低频调制端和信号接收处理器的信号参考端，吸收探测信号经过信号接收处理器解调后的信号送入垂直腔面发射半导体激光器的频率稳定端口，光电探测器、信号接收处理器和垂直腔面发射半导体激光器组成激光稳频环路，相干微波辐射信号经过信号接收处理器送入压控振荡器，频率综合器与垂直腔面发射半导体激光器、微波腔、信号接收处理器、压控晶体振荡器相连，压控晶体振荡器、频率综合器、微波功率接收器、信号接收处理器形成原子钟闭环锁定环路。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)采用长条形磁光阱得到长条形的冷原子团，相对热原子和传统的磁光阱而言，既减小了一阶多普勒效应，又增加了相干布居数囚禁的渡越时间，有效的减小了相干布居数信号的半高宽，从而提高了原子钟的准确度和稳定性。

(2)采用冷原子作为工作介质，较热原子有更长的相干时间，减小了因冲入缓冲气体而引起的碰撞频移。

(3)采用微波调制垂直腔面发射激光器技术实现相干布居数囚禁信号所需要的两束激光，保证了相干布居数囚禁激光的相位稳定。低频信号调制垂直腔面发射半导体激光器的电流而得到误差、纠偏信号。

(4)采用相干布居数囚禁信号和微波相干辐射功率探测信号实现原子钟的闭环锁定，既稳定了激光器的频率，又锁定了压控振荡器，提高了原子钟的准确度和稳定性。

(5)采用微波腔和真空系统的一体化，结合腔内反射镜实现长条形磁光阱结构，有效的实现了原子钟的小型化。

附图说明

图1为一种相干微波辐射冷原子钟的结构示意图。

图2为一种微波腔的径向剖面图。

图3为一种相干微波辐射冷原子钟所采用的铷原子的能级图。

其中，1-微波腔，1a-微波腔剖面，2-真空导管，3-离子泵，4a，4b，4c-石英玻璃窗，5-反亥姆霍兹线圈，6-亥姆霍兹线圈，7-矩形线圈，8-磁场屏蔽系统，9，9a，9b，9c-反射镜，10-半导体激光器，11-分束镜，12-激光囚禁光束，13-透镜柱面镜整形系统，13a-13b，13c-13d，13e-13f-激光冷却囚禁光束对，14-长条形冷原子团，15-垂直腔面发射半导体激光器，16-分束镜，17-相干布居数囚禁光束，18-光电探测器，19-信号接收处理器，20-原子钟信号输出端，21-压控晶体振荡器，22-频率综合器，23-样品源，24-微波功率接收器，25，26-四分之一波片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

根据图1、图2可知，真空系统包括离子泵3、真空导管2、微波腔1、第一至第三石英玻璃窗4a、4b、4c，微波腔1和真空导管2焊接在一起，微波腔1和真空导管2上有第一至第三石英玻璃窗4a、4b、4c，第一至第三石英玻璃窗4a、4b、4c用来通光，第一石英玻璃窗4a表面镀780nm、795nm的增透膜，第二石英玻璃窗4b表面镀780nm的增透膜，第三石英玻璃窗4c表面镀795nm的增透膜、780nm的高反膜以及780nm的四分之一波片镀膜，在真空导管2上焊接一个样品源24，样品源24和真空导管2采用毛细管连接形成真空差分效果，样品源24中的铷原子以一定的气导率向微波腔1扩散，采用激光冷却和囚禁技术将铷蒸汽俘获在微波腔1中心。三块反射镜9a、9b、9c固定在微波腔1内的角度与切面成25°的角度，在微波腔1内与切面以25°的角度固定有第一至第三反射镜9a、9b、9c，作为囚禁光和冷却光的光路分束系统，第一、第二反射镜9a、9b表面镀780nm的全反射膜，第三反射镜9c表面镀780nm的四分之一波片的全反射膜。经过真空泵组前期预抽后，用离子泵3来维持微波腔1内的超高真空度(10^-7Pa)。

光路分束系统包括分束镜11、分束镜16、第三石英玻璃窗4c、透镜柱面镜整形系统13和第一至第三反射镜9a、9b、9c，半导体激光器10输出的光经过分束镜11后分为两路光束，一路光束经过分束镜16反射后的光束13a送入微波腔1轴向方向，光束13a经过第三石英玻璃窗4c反射后的光束13b与光束13a形成第一冷却囚禁光束对(13a-13b对)，另一路光束12经过透镜柱面镜组13整形成的长条形光束输入微波腔1的径向方向，长条光束13c经过第一反射镜9a和第二反射镜9b反射后得到光束13f，光束13f经过第三反射镜9c后得到光束13e，光束13e和光束13f组成第二冷却囚禁光束对(13e-13f对)，光束13e经过第二反射镜9b和第一反射镜9a后得到光束13d，光束13c和光束13d组成第三冷却囚禁光束对(13c-13d对)。

四极线圈包括反亥姆霍兹线圈5和矩形线圈7，提供原子激光冷却和囚禁的四极磁场。

长条形磁光阱包括半导体激光器10、光路分束系统、四极线圈，半导体激光器10包括了两个频率的激光，即囚禁光和回泵光，半导体激光器10可以采用商用的TA100和DL100，输出功率分别大于500mW和60mW，调谐波长在780.24nm，用来提供冷却囚禁光和回泵光。冷却囚禁光和回泵光光束经过四分之一波片25和光路分束系统，形成相互垂直的第一对至第三对冷却囚禁光束对(13a-13b对，13e-13f对，13c-13d对)，其偏振都是圆偏振，在冷却囚禁光束对和四极磁场的共同作用下，在微波腔1的轴向方向上形成长条形的原子团14。

垂直腔面发射半导体激光器15选用ULM795-03-TN-S46FOP，通常输出功率是几个mW，其波长调谐在795nm附近，其光束经过分束镜16(表面镀780nm的高反膜，795nm的增透膜)和四分之一波片26后，沿着微波腔1的轴向送入冷原子团14的长轴方向，光电探测器18探测相干布居数囚禁光的吸收信号。光电探测器18的信号送入信号接收处理器19进行处理解调。

实现激光器的频率锁定，频率综合器22输出的3.4GHz的微波信号送入垂直腔面发射半导体激光器15的电流高频调制端对其调制，10KHz的调制信号同时送入垂直腔面发射半导体激光器15的电流低频调制端和信号接收处理器19的参考输入端，3.4GHz的微波信号对激光进行深度调制，调制后激光的两个边带的频率相差6.8GHz，正好是铷(⁸⁷Rb)原子的基态能级间隔，光电探测器18的信号经过信号接收处理器19处理解调后得到的误差信号送入垂直腔面发射半导体激光器15的电流控制端对该激光器进行频率稳定。

实现原子钟的闭环锁定，压控振荡器21输出的射频信号(10MHz)经过频率综合器22后得到的输出信号(6.8GHz)送入微波腔1，微波功率探测器24的输出信号送入信号接收处理器19，处理解调后的微分信号控制压控振荡器21，实现闭环锁定。压控振荡器21的稳定的10MHz信号20作为原子钟的时间频率标准，即原子钟的实现。

压控晶体振荡器21是商品的高稳定度的压控石英晶体振荡器，频率为10MHz，稳定度优于10^-11。

物理过程的实现以⁸⁷Rb为工作介质(事实上适用所有碱金属原子)为例，能级结构图如图3所示。如图3(a)所示，冷却光和回泵光选用铷原子的D2线，相干布居数囚禁光选用铷原子的D1线，图3(b)是铷原子的超精细结构在消除简并后在磁场中的分裂，冷却和囚禁光的频率调节到5S_1/2，F＝2→5P_3/2，F′＝3红失谐大约两个自然线宽，回泵光的频率调节到5S_1/2，F＝1→5P_3/2，F′＝2近共振，打开磁光阱的四极线圈的电流，四极线圈产生的磁场梯度约为每厘米10高斯，在冷却囚禁光和四极磁阱的共同作用下，一长条形的冷原子团14沿着微波腔1轴向形成，关掉四极磁场后对冷却光的强度和频率进行扫描，做偏振梯度冷却，然后关掉冷却囚禁光，此时冷原子的温度在微K量级。

稳定的压控晶体振荡器21输出的10MHz信号20经过频率综合器22倍频后，输出的3.4GHz的微波信号输入垂直腔面发射半导体激光器15的电流高频调制端，深度调制后产生两个边带，其边带频率ω₁，ω₂分别与5S_1/2，F＝1→5P_1/2，F′＝2和5S_1/2，F＝2→5P_1/2，F′＝2共振，扫描微波频率，在满足双光子共振条件时原子被制备在两基态的叠加态，相干光辐射场透明地经过冷原子系综，光电探测器18信号最大，即相干布居数囚禁信号。频率综合器22输出的10KHz信号对垂直腔面发射半导体激光器15的电流进行低频调制，同时输入信号接收处理器19的参考输入端，相干布居数囚禁信号被10KHz信号调制后经过光电探测器18吸收探测后送入信号接收处理器19，处理解调后的信号送入垂直腔面发射半导体激光器15的电流控制端，从而对其进行频率稳定。

亥姆霍兹线圈6保证在微波腔1轴向上沿着垂直腔面发射半导体激光器15光束的传播方向产生一个恒定的磁场，即C场。频率综合器22调制垂直腔面发射半导体激光器15的边带频率ω₁与5S_1/2，F＝1，m_F＝0→5P_1/2，F′＝2，m_F＝0共振，ω₂与5S_1/2，F＝2，m_F＝0→5P_1/2，F′＝2，m_F＝0共振，频率综合器22输出的6.8GHz微波信号经四分之一波片26后送入微波腔1，在Λ型三能级系统中，当微波频率与5S_1/2，F＝1，m_F＝0→5P_1/2，F′＝2，m_F＝0和5S_1/2，F＝2，m_F＝0→5P_1/2，F′＝2，m_F＝0共振时产生相干微波辐射信号，微波功率探测器24的信号送入信号接收处理器19，处理解调后的纠偏信号对压控晶体振荡器21进行锁定。

在完成上述步骤后对垂直腔面发射半导体激光器15的频率和压控晶体振荡器21的频率进行同步的锁定，稳定的压控振荡器21的10MHz信号20即原子钟的频率参考信号。

以上技术方案可实现一种结构紧凑、体积小、稳定性和准确度好和实用性强的相干微波辐射冷原子钟。

Claims

1. 一种相干微波辐射冷原子钟，它包括真空系统、磁场线圈、半导体激光器(10)、磁场屏蔽系统(8)、垂直腔面发射半导体激光器(15)、压控晶体振荡器(21)、频率综合器(22)、信号接收处理器(19)、光电探测器(18)和微波功率接受器(24)，其特征在于：真空系统屏蔽在磁场屏蔽系统(8)内，三块反射镜(9a、9b、9c)固定在微波腔(1)内，一对反亥姆霍兹线圈(5)和一对亥姆霍兹线圈(6)固定在微波腔(1)的轴向方向上，一对矩形线圈(7)固定在微波腔(1)的径向方向上，半导体激光器(10)输出囚禁光和回泵光光束，垂直腔面发射半导体激光器(15)输出相干布居数囚禁激光光束(17)，压控晶体振荡器(21)与频率综合器(22)相连，频率综合器(22)与信号接收处理器(19)、垂直腔面发射半导体激光器(15)和微波腔(1)相连，光电探测器(18)和微波功率接收器(24)与信号接收处理器(19)相连，信号接收处理器(19)与压控晶体振荡器(21)和垂直腔面发射半导体激光器(15)相连。

2. 根据权利要求1所述的一种相干微波辐射冷原子钟，其特征在于：真空系统包括离子泵(3)、真空导管(2)、微波腔(1)、第一至第三石英玻璃窗(4a、4b、4c)，离子泵(3)与真空导管(2)相连，真空导管(2)与微波腔(1)相连，真空导管(2)与微波腔(1)上有石英玻璃窗(4a、4b、4c)。

3. 根据权利要求1所述的一种相干微波辐射冷原子钟，其特征在于：三块反射镜(9a，9b，9c)固定在微波腔(1)内的角度为与切面形成25°的角度。

4. 根据权利要求1所述的一种相干微波辐射冷原子钟，其特征在于：光电探测器(18)、信号接收处理器(19)和垂直腔面发射半导体激光器(15)组成激光稳频环路，压控晶体振荡器(21)、频率综合器(22)、微波功率接收器(24)、信号接收处理器(19)组成原子钟闭合环路。