專利名稱：相干微波輻射冷原子鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種原子鐘領(lǐng)域，更具體涉及一種相干微波輻射冷原子鐘，以長條形 磁光阱中的厚光學(xué)厚度的冷原子為工作物質(zhì)，在微波腔和經(jīng)過微波調(diào)制的激光邊帶作用 下，利用相干布居數(shù)囚禁的吸收探測信號和相干微波輻射的微波功率接受信號同步鎖定垂 直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和壓控晶體振蕩器，適用于守時、授時、測距、導(dǎo)航、定位、通 信時間同步等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的50年，原子頻率標(biāo)準(zhǔn)有了長足的進(jìn)展。主動型氫原子鐘的穩(wěn)定性在10—16量級，銫原子噴泉鐘的準(zhǔn)確度優(yōu)于lx10—15。從實(shí)用的角度考慮，小型化的穩(wěn)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)有著更廣泛的應(yīng)用，比如銫束鐘和光泵銣鐘。傳統(tǒng)的原子鐘利用氫原子或者堿金屬原子的兩 個基態(tài)間的躍遷作為原子的共振躍遷頻率參考，通常用磁共振技術(shù)來探測，用磁場空間分 離或者光泵作用實(shí)現(xiàn)原子態(tài)的制備，以增強(qiáng)共振探測信號。氫原子或堿金屬原子作為原子 共振頻率基準(zhǔn)，其兩個基態(tài)超精細(xì)能級之間的躍遷頻率在微波范圍內(nèi)，可以通過傳統(tǒng)的磁 共振技術(shù)來探測，其實(shí)現(xiàn)方式的共同屬性是態(tài)選擇的使用，要么通過磁空間偏移，要么通 過光泵浦作用，在態(tài)制備后的原子系綜中，共振探測信號得到增強(qiáng)。近年來，隨著激光冷 卻技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)原子鐘的新的物理機(jī)制也在探索中，比如，相干布居數(shù)囚禁鐘，光學(xué) 頻率標(biāo)準(zhǔn)(光鐘)。以冷原子作為工作介質(zhì)的冷原子鐘已經(jīng)提上日程，它有效的減小了物 理信號的多普勒效應(yīng)，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性優(yōu)于以熱原子作為工作介質(zhì)的同類原子鐘，在研究激光與原子的相互作用時，激光誘導(dǎo)的原子相干和量子干涉現(xiàn)象值得關(guān)注，G. Orriols等在1976年用雙模激光器在鈉(Na)原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)中觀察到原子相干效應(yīng)。在 一個A型三能級原子(兩個基態(tài)， 一個激發(fā)態(tài)，只有基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在兩個偶極躍遷) 與兩個激光場作用時，如果光場與原子的耦合滿足雙光子共振條件，原子的布居數(shù)將被囚禁在兩個基態(tài)的疊加態(tài)上，這個態(tài)被稱為暗態(tài)，處于暗態(tài)的原子不與光場相互作用，不再 吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)。堿金屬原子中的相干布居數(shù)囚禁為實(shí)現(xiàn)原子鐘提供了一種有效的 方法?？梢杂貌煌姆椒ㄓ^測到該現(xiàn)象，在光泵浦系綜的熒光光譜中能觀測到一條狹窄的"黑"線，在吸收探測中，滿足雙光子共振時系統(tǒng)不吸收能量而成為透明的。因此，這種 現(xiàn)象在熒光輻射中表現(xiàn)為黑線(一般稱為暗線)，在傳播輻射場中表現(xiàn)為共振傳輸?shù)脑鰪?qiáng)(常常稱為亮線)，這個共振現(xiàn)象反映了堿金屬原子基態(tài)超精細(xì)共振的所有性質(zhì)，可用于 實(shí)現(xiàn)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，類似于使用微波一光泵浦雙共振實(shí)現(xiàn)原子鐘的傳統(tǒng)方法。Thomas等人 第一次成功實(shí)現(xiàn)了該現(xiàn)象的類似應(yīng)用，在這些實(shí)驗(yàn)中，僅僅使用無微波腔的Ramsey光束， 將基于鈉原子束的該現(xiàn)象用于實(shí)現(xiàn)一種Ramsey型的分離振蕩場的相互作用區(qū)域。在上世 紀(jì)九十年代中期，開始了將囚禁單元相干布居數(shù)現(xiàn)象用于實(shí)現(xiàn)小型原子頻標(biāo)的應(yīng)用的嘗 試。在通常的情況下，熱原子玻璃泡的光學(xué)厚度受到緩沖氣體壓力和堿金屬原子密度的控 制，前者加寬吸收譜線寬度，后者影響光學(xué)吸收。在實(shí)踐中，操作溫度要使得系綜成為光 學(xué)厚度的介質(zhì)(Rb: T>50°C， Cs: T>40°C),并且要求更加精心的設(shè)計。但是在冷原子系 綜中，原子的光學(xué)厚度由原子的密度和溫度決定，用圓偏振光將原子基態(tài)和激發(fā)態(tài)聯(lián)系在 一起，基態(tài)《^=0 — /^.=0躍遷是理想選擇，以減小磁場對原子鐘準(zhǔn)確度的影響。迄今為止，原子鐘的實(shí)現(xiàn)，包括主動的或被動的，光束形式的或含有緩沖氣體封閉單 元形式的，也包括了冷原子介質(zhì)的，熱原子加緩沖氣體的，但是指標(biāo)都不是很高。在原子 鐘的小型化方面，基于相干布居數(shù)囚禁原理的室溫泡原子鐘的產(chǎn)品已經(jīng)問世，美國Kernco 公司生產(chǎn)的常溫相干布居數(shù)囚禁鐘受到原子譜線多普勒加寬的限制，原子譜線的線寬不夠理想，其穩(wěn)定性都偏低， 一般為10—"到10—12。在中國，己經(jīng)申請的相干布居數(shù)囚禁冷原子鐘是采用傳統(tǒng)的磁光阱作為冷原子介質(zhì)，高頻的聲光調(diào)制器產(chǎn)生相干布居數(shù)囚禁光的耦合 光和探測光，用探測光的相干布居數(shù)囚禁信號對壓控晶體振蕩器的鎖定，該系統(tǒng)是利用傳 統(tǒng)的電磁誘導(dǎo)透明的方法實(shí)現(xiàn)相干布居數(shù)囚禁冷原子鐘。其優(yōu)點(diǎn)是利用冷原子相干布居數(shù) 囚禁信號鎖定壓控晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)原子鐘，但是在實(shí)現(xiàn)高指標(biāo)的原子鐘方面還存在著缺 陷，其原因是光與原子相互作用的時間較短，渡越時間較短不利于減小相干布居數(shù)囚禁信 號的半高寬，用于相干布居數(shù)囚禁的窄線寬半導(dǎo)體激光器的頻率沒有鎖定，其準(zhǔn)確度和穩(wěn) 定性不高，也不利于原子鐘的小型化。微波和相干光的共同參與可以實(shí)現(xiàn)相干的微波輻射，類似于主動型氫原子鐘。兩個光 耦合一個三能級系統(tǒng)(兩個基態(tài)和一個激發(fā)態(tài))，當(dāng)兩個光滿足雙光子共振的條件時，在熒光探測時出現(xiàn)暗線，在吸收探測時出現(xiàn)亮線，同時探測微波的輻射功率時會出現(xiàn)微波功 率的相干輻射增強(qiáng)，在1998年J. Vanier對此作了詳細(xì)理論的推導(dǎo)和解釋，當(dāng)掃描激光的 調(diào)制頻率時微波相千輻射的線形是洛倫茲線形，輻射功率和線寬都有理論的計算和解釋。相干微波輻射較相干布居數(shù)囚禁信號有著更高的信噪比，在實(shí)現(xiàn)主動相干布居數(shù)囚禁冷原 子鐘，即相干微波輻射冷原子鐘的小型化和提高原子鐘的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等方面都有著自 身的優(yōu)勢。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是在于提供一種相干微波輻射冷原子鐘，采用長條形的磁光阱系 統(tǒng)，通過增加冷原子團(tuán)的光學(xué)厚度來解決冷原子相干布居數(shù)囚禁中原子和光相互作用渡越 時間較短的問題；采用相干微波輻射實(shí)現(xiàn)主動相干布居數(shù)囚禁，利用相干布居數(shù)囚禁的吸 收探測信號和相干微波輻射功率探測信號實(shí)現(xiàn)對垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和壓控振蕩 器的同步鎖定，解決相干布居數(shù)囚禁冷原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的問題。該原子鐘結(jié)構(gòu)緊 湊，體積小，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度好，實(shí)用性強(qiáng)。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案-一種相干微波輻射冷原子鐘，它包括真空系統(tǒng)、反射鏡、分束鏡、四分之一波片、反 亥姆霍茲線圈、亥姆霍茲線圈、矩形線圈、磁場屏蔽系統(tǒng)、半導(dǎo)體激光器、垂直腔面發(fā)射 半導(dǎo)體激光器、光電探測器、微波功率接收器、信號接收處理器、壓控晶體振蕩器和頻率 綜合器構(gòu)成，其特征在于真空系統(tǒng)屏蔽在磁場屏蔽系統(tǒng)內(nèi)，真空系統(tǒng)包括離子泵、真空導(dǎo) 管、微波腔、石英玻璃窗，離子泵與真空導(dǎo)管相連，真空導(dǎo)管與微波腔相連，真空導(dǎo)管與 微波腔上有石英玻璃窗，石英玻璃窗作為通光窗口，三塊反射鏡固定在微波腔內(nèi)， 一對反 亥姆霍茲線圈和一對亥姆霍茲線圈固定在微波腔的軸向方向上， 一對矩形線圈固定在微波 腔的徑向方向上，半導(dǎo)體激光器提供囚禁光束和回泵光束，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器輸 出相干布居數(shù)囚禁激光光束，壓控晶體振蕩器與頻率綜合器相連，頻率綜合器與信號接收 處理器、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和微波腔相連，光電探測器和微波功率接收器與信號 接收處理器相連，信號接收處理器與壓控振蕩器和垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器相連。由離子泵、真空導(dǎo)管、微波腔、石英窗、反射鏡、四分之一波片、半導(dǎo)體激光器(提 供冷卻光，回泵光)、分束鏡、透鏡柱面鏡整形系統(tǒng)、樣品源、反亥姆霍茲線圈和矩形線 圈組成長條形磁光阱系統(tǒng)。微波腔、反亥姆霍茲線圈、亥姆霍茲線圈和矩形線圈放置在磁 場屏蔽系統(tǒng)內(nèi)。真空導(dǎo)管與微波腔相連組成真空系統(tǒng)，通光窗口用石英玻璃窗，反射鏡以一定角度固定在微波腔內(nèi)表面提供磁光阱所需要的冷卻囚禁激光分束，樣品源和真空導(dǎo)管差分相連，選用銣("i^)原子樣品，用激光冷卻后的87i 6原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的磁子能級(選用附/7=0~>附,.=0的躍遷，其頻率是6.835GHz)的躍遷頻率作為原子鐘鎖定信號的參考，有效的消除了一階Zeeman效應(yīng)。磁光阱被屏蔽在磁場屏蔽系統(tǒng)內(nèi)，有效地減小了雜散 磁場的影響。有效地集成了微波腔和真空系統(tǒng)的一體化，進(jìn)一步減小了原子鐘的體積，微波腔和相 干布居數(shù)囚禁的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了主動型相千布居數(shù)囚禁，由垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器、分束 鏡、四分之一波片和光電探測器組成相干布居數(shù)囚禁的光學(xué)系統(tǒng)， 一對亥姆霍茲線圈提供 恒定的磁場保證量子化軸的方向，由壓控振蕩器的輸出信號(10MHz)經(jīng)過頻率綜合器倍 頻得到的微波信號(3.4GHz)與垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電流高頻調(diào)制端相連，調(diào)制后的激光光束(兩個邊帶相差6.8GHz，正好是"i^的基態(tài)間隔)經(jīng)過四分之一波片后沿著磁場的方向通過冷原子團(tuán)的長條方向，吸收探測相干布居數(shù)囚禁信號經(jīng)過光電探測器送入信 號接收處理器。壓控晶體振蕩器與頻率綜合器相連，倍頻微波信號輸入微波腔的微波輸入端和垂直腔 面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的電流高頻調(diào)制端，低頻信號(10KHZ)輸入垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激 光器的電流低頻調(diào)制端和信號接收處理器的參考端，壓控晶體振蕩器、頻率綜合器、微波 功率接收器、信號處理器組成閉合環(huán)路。壓控晶體振蕩器的輸出信號經(jīng)過頻率綜合器倍頻 后的微波信號(6.8GHz)送入微波腔，相干微波輻射信號通過微波功率接收器送入信號接 收處理器，處理解調(diào)后的糾偏信號鎖定壓控晶體振蕩器，由相干布居數(shù)囚禁的吸收探測信 號經(jīng)過信號接收處理器處理調(diào)制后得到的誤差信號鎖定垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn) 同步鎖定垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和壓控晶體振蕩器。由微波功率接收器、信號接收處理器、l(MHz的壓控振蕩器和頻率綜合器組成原子鐘 的閉環(huán)鎖定環(huán)路。穩(wěn)定后的壓控振蕩器輸出的10MHz信號作為原子鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)。光電探測 器和微波功率接收器與信號接收處理器相連，信號接收處理器的信號參考端與頻率綜合器 相連，頻率綜合器的10KHz信號送入垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的電流低頻調(diào)制端和信號 接收處理器的信號參考端，吸收探測信號經(jīng)過信號接收處理器解調(diào)后的信號送入垂直腔面 發(fā)射半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定端口，光電探測器、信號接收處理器和垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體 激光器組成激光穩(wěn)頻環(huán)路，相干微波輻射信號經(jīng)過信號接收處理器送入壓控振蕩器，頻率 綜合器與垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器、微波腔、信號接收處理器、壓控晶體振蕩器相連，壓控晶體振蕩器、頻率綜合器、微波功率接收器、信號接收處理器形成原子鐘閉環(huán)鎖定環(huán)路。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果(1) 采用長條形磁光阱得到長條形的冷原子團(tuán)，相對熱原子和傳統(tǒng)的磁光阱而言， 既減小了一階多普勒效應(yīng)，又增加了相干布居數(shù)囚禁的渡越時間，有效的減小了相干布居 數(shù)信號的半高寬，從而提高了原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。(2) 采用冷原子作為工作介質(zhì)，較熱原子有更長的相干時間，減小了因沖入緩沖氣 體而引起的碰撞頻移。(3) 采用微波調(diào)制垂直腔面發(fā)射激光器技術(shù)實(shí)現(xiàn)相干布居數(shù)囚禁信號所需要的兩束 激光，保證了相干布居數(shù)囚禁激光的相位穩(wěn)定。低頻信號調(diào)制垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器 的電流而得到誤差、糾偏信號。(4) 采用相干布居數(shù)囚禁信號和微波相干輻射功率探測信號實(shí)現(xiàn)原子鐘的閉環(huán)鎖定， 既穩(wěn)定了激光器的頻率，又鎖定了壓控振蕩器，提高了原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。(5) 采用微波腔和真空系統(tǒng)的一體化，結(jié)合腔內(nèi)反射鏡實(shí)現(xiàn)長條形磁光阱結(jié)構(gòu)，有 效的實(shí)現(xiàn)了原子鐘的小型化。


圖1為一種相干微波輻射冷原子鐘的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為一種微波腔的徑向剖面圖。圖3為一種相干微波輻射冷原子鐘所采用的銣原子的能級圖。其中，l一微波腔，la—微波腔剖面，2—真空導(dǎo)管，3 —離子泵，4a， 4b， 4c一石英 玻璃窗，5 —反亥姆霍茲線圈，6—亥姆霍茲線圈，7—矩形線圈，8—磁場屏蔽系統(tǒng)，9， 9a, 9b， 9c一反射鏡，IO—半導(dǎo)體激光器，ll一分束鏡，12—激光囚禁光束，13—透鏡柱 面鏡整形系統(tǒng)，13a-13b， 13c-13d， 13e-13f—激光冷卻囚禁光束對，14一長條形冷原子團(tuán)， 15 —垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，16—分束鏡，17—相干布居數(shù)囚禁光束，18 —光電探 測器，19一信號接收處理器，20—原子鐘信號輸出端，21—壓控晶體振蕩器，22_頻率綜 合器，23—樣品源，24—微波功率接收器，25， 26—四分之一波片。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述根據(jù)圖l、圖2可知，真空系統(tǒng)包括離子泵3、真空導(dǎo)管2、微波腔l、第一至第三石 英玻璃窗4a、 4b、 4c,微波腔1和真空導(dǎo)管2焊接在一起，微波腔1和真空導(dǎo)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用來通光，第一石 英玻璃窗4a表面鍍780nm、 795nm的增透膜，第二石英玻璃窗4b表面鍍780nm的增透膜， 第三石英玻璃窗4c表面鍍795nm的增透膜、780nm的高反膜以及780nm的四分之一波片 鍍膜，在真空導(dǎo)管2上焊接一個樣品源24，樣品源24和真空導(dǎo)管2采用毛細(xì)管連接形成 真空差分效果，樣品源24中的銣原子以一定的氣導(dǎo)率向微波腔1擴(kuò)散，采用激光冷卻和 囚禁技術(shù)將銣蒸汽俘獲在微波腔1中心。三塊反射鏡9a、 9b、 9c固定在微波腔1內(nèi)的角度 與切面成25°的角度，在微波腔l內(nèi)與切面以25。的角度固定有第一至第三反射鏡9a、 9b、 9c，作為囚禁光和冷卻光的光路分束系統(tǒng)，第一、第二反射鏡9a、 9b表面鍍780nm的全 反射膜，第三反射鏡9c表面鍍780nm的四分之一波片的全反射膜。經(jīng)過真空泵組前期預(yù)抽后，用離子泵3來維持微波腔1內(nèi)的超高真空度(10—7Pa)。光路分束系統(tǒng)包括分束鏡11、分束鏡16、第三石英玻璃窗4c、透鏡柱面鏡整形系統(tǒng) 13和第一至第三反射鏡9a、 9b、 9c，半導(dǎo)體激光器10輸出的光經(jīng)過分束鏡11后分為兩路 光束， 一路光束經(jīng)過分束鏡16反射后的光束13a送入微波腔1軸向方向，光束13a經(jīng)過第 三石英玻璃窗4c反射后的光束13b與光束13a形成第一冷卻囚禁光束對U3a-13b對)，另 一路光束12經(jīng)過透鏡柱面鏡組13整形成的長條形光束輸入微波腔1的徑向方向，長條光 束13c經(jīng)過第一反射鏡9a和第二反射鏡9b反射后得到光束13f，光束13f經(jīng)過第三反射 鏡9c后得到光束13e，光束13e和光束13f組成第二冷卻囚禁光束對(13e-13f對)，光束 13e經(jīng)過第二反射鏡9b和第一反射鏡9a后得到光束13d，光束13c和光束13d組成第三冷 卻囚禁光束對(13c-13d對)。四極線圈包括反亥姆霍茲線圈5和矩形線圈7，提供原子激光冷卻和囚禁的四極磁場。 長條形磁光阱包括半導(dǎo)體激光器10、光路分束系統(tǒng)、四極線圈，半導(dǎo)體激光器10包 括了兩個頻率的激光，即囚禁光和回泵光，半導(dǎo)體激光器10可以采用商用的TA100和 DLIOO，輸出功率分別大于500mW和60mW，調(diào)諧波長在780.24nm，用來提供冷卻囚禁 光和回泵光。冷卻囚禁光和回泵光光束經(jīng)過四分之一波片25和光路分束系統(tǒng)，形成相互 垂直的第一對至第三對冷卻囚禁光束對(13a-13b對，13e-13f對，13c-13d對)，其偏振都8是圓偏振，在冷卻囚禁光束對和四極磁場的共同作用下，在微波腔l的軸向方向上形成長 條形的原子團(tuán)14。垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15選用ULM795-03-TN-S46F0P，通常輸出功率是幾個mW， 其波長調(diào)諧在795nm附近，其光束經(jīng)過分束鏡16 (表面鍍780咖的高反膜，795nm的增 透膜)和四分之一波片26后，沿著微波腔1的軸向送入冷原子團(tuán)14的長軸方向，光電探 測器18探測相干布居數(shù)囚禁光的吸收信號。光電探測器18的信號送入信號接收處理器19 進(jìn)行處理解調(diào)。實(shí)現(xiàn)激光器的頻率鎖定，頻率綜合器22輸出的3. 4GHz的微波信號送入垂直腔面發(fā)射 半導(dǎo)體激光器15的電流高頻調(diào)制端對其調(diào)制，10KHz的調(diào)制信號同時送入垂直腔面發(fā)射半 導(dǎo)體激光器15的電流低頻調(diào)制端和信號接收處理器19的參考輸入端，3. 4GHz的微波信號對激光進(jìn)行深度調(diào)制，調(diào)制后激光的兩個邊帶的頻率相差6.8GHz，正好是銣("i 6)原子的基態(tài)能級間隔，光電探測器18的信號經(jīng)過信號接收處理器19處理解調(diào)后得到的誤差信 號送入垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15的電流控制端對該激光器進(jìn)行頻率穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)原子鐘的閉環(huán)鎖定，壓控振蕩器21輸出的射頻信號(l(MHz)經(jīng)過頻率綜合器22 后得到的輸出信號(6. 8GHz)送入微波腔1，微波功率探測器24的輸出信號送入信號接收處 理器19，處理解調(diào)后的微分信號控制壓控振蕩器21，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鎖定。壓控振蕩器21的穩(wěn) 定的10MHz信號20作為原子鐘的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)，即原子鐘的實(shí)現(xiàn)。壓控晶體振蕩器21是商品的高穩(wěn)定度的壓控石英晶體振蕩器，頻率為10MHz，穩(wěn)定度優(yōu)于10一11。物理過程的實(shí)現(xiàn)以87及6為工作介質(zhì)(事實(shí)上適用所有堿金屬原子)為例，能級結(jié)構(gòu)圖 如圖3所示。如圖3 (a)所示，冷卻光和回泵光選用銣原子的D2線，相干布居數(shù)囚禁光 選用銣原子的D1線，圖3 (b)是銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)在消除簡并后在磁場中的分裂，冷卻和囚禁光的頻率調(diào)節(jié)到551/2，尸=2 — 5尸3/2,=3紅失諧大約兩個自然線寬，回泵光的頻率調(diào)節(jié)到551/2,尸=1 — 5/>3/2,尸'=2近共振，打開磁光阱的四極線圈的電流，四極線圈產(chǎn)生的磁場梯度約為每厘米10高斯，在冷卻囚禁光和四極磁阱的共同作用下， 一長條形的冷 原子團(tuán)14沿著微波腔1軸向形成，關(guān)掉四極磁場后對冷卻光的強(qiáng)度和頻率進(jìn)行掃描，做 偏振梯度冷卻，然后關(guān)掉冷卻囚禁光，此時冷原子的溫度在微K量級。穩(wěn)定的壓控晶體振蕩器21輸出的10MHz信號20經(jīng)過頻率綜合器22倍頻后，輸出的3.4GHz的微波信號輸入垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15的電流高頻調(diào)制端，深度調(diào)制后產(chǎn) 生兩個邊帶，其邊帶頻率^ ，％分別與55;/2,F = l —5《/2,F'=2和5S1/2,F = 2 —5i^,F'-2共振，掃描微波頻率，在滿足雙光子共振條件時原子被制備在兩基態(tài)的疊加態(tài)，相干光輻射場透明地經(jīng)過冷原子系綜，光電探測器18信號最大，即相干 布居數(shù)囚禁信號。頻率綜合器22輸出的10KHz信號對垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15的電 流進(jìn)行低頻調(diào)制，同時輸入信號接收處理器19的參考輸入端，相干布居數(shù)囚禁信號被10KHz 信號調(diào)制后經(jīng)過光電探測器18吸收探測后送入信號接收處理器19，處理解調(diào)后的信號送 入垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15的電流控制端，從而對其進(jìn)行頻率穩(wěn)定。亥姆霍茲線圈6保證在微波腔1軸向上沿著垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15光束的傳 播方向產(chǎn)生一個恒定的磁場，即C場。頻率綜合器22調(diào)制垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15的邊帶頻率^與5&2,F-l,附f-0 4 5i^,F、2,ffv^0共振，w2與55/2,F = 2,mF = 0 — 5i^,F' = 2,mF = 0共振，頻率綜合器22輸出的6. 8GHz微波信號經(jīng)四 分之一波片26后送入微波腔1,在A型三能級系統(tǒng)中，當(dāng)微波頻率與 5&2,尸-1,Wf = 0 45P1/2,F' = 2，mF =0禾卩551/2，尸=2,wF = 0 — 5P1/2,F' = 2,wF = 0共振時產(chǎn)生相干微波輻射信號，微波功率探測器24的信號送入信號接收處理器19，處理解調(diào)后 的糾偏信號對壓控晶體振蕩器21進(jìn)行鎖定。在完成上述步驟后對垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器15的頻率和壓控晶體振蕩器21的頻 率進(jìn)行同步的鎖定，穩(wěn)定的壓控振蕩器21的lOMHz信號20即原子鐘的頻率參考信號。以上技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度好和實(shí)用性強(qiáng)的相干微 波輻射冷原子鐘。
權(quán)利要求1. 一種相干微波輻射冷原子鐘，它包括真空系統(tǒng)、磁場線圈、半導(dǎo)體激光器(10)、磁場屏蔽系統(tǒng)(8)、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(15)、壓控晶體振蕩器(21)、頻率綜合器(22)、信號接收處理器(19)、光電探測器(18)和微波功率接受器(24)，其特征在于真空系統(tǒng)屏蔽在磁場屏蔽系統(tǒng)(8)內(nèi)，三塊反射鏡(9a、9b、9c)固定在微波腔(1)內(nèi)，一對反亥姆霍茲線圈(5)和一對亥姆霍茲線圈(6)固定在微波腔(1)的軸向方向上，一對矩形線圈(7)固定在微波腔(1)的徑向方向上，半導(dǎo)體激光器(10)輸出囚禁光和回泵光光束，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(15)輸出相干布居數(shù)囚禁激光光束(17)，壓控晶體振蕩器(21)與頻率綜合器(22)相連，頻率綜合器(22)與信號接收處理器(19)、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(15)和微波腔(1)相連，光電探測器(18)和微波功率接收器(24)與信號接收處理器(19)相連，信號接收處理器(19)與壓控晶體振蕩器(21)和垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(15)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相干微波輻射冷原子鐘，其特征在于真空系統(tǒng)包括 離子泵(3)、真空導(dǎo)管(2)、微波腔(1)、第一至第三石英玻璃窗(4a、 4b、 4c)，離子泵(3)與真空導(dǎo)管(2)相連，真空導(dǎo)管(2)與微波腔(1)相連，真空導(dǎo)管(2)與微波腔 (1)上有石英玻璃窗(4a、 4b、 4c)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相干微波輻射冷原子鐘，其特征在于三塊反射鏡 (9a， 9b， 9c)固定在微波腔(1)內(nèi)的角度為與切面形成25。的角度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相干微波輻射冷原子鐘，其特征在于光電探測器 (18)、信號接收處理器(19)和垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(15)組成激光穩(wěn)頻環(huán)路，壓控晶體振蕩器(21)、頻率綜合器(22)、微波功率接收器(24)、信號接收處理器(19)組 成原子鐘閉合環(huán)路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種相干微波輻射冷原子鐘，離子泵與真空導(dǎo)管相連，真空導(dǎo)管與微波腔相連，通光窗口用石英玻璃窗，三塊反射鏡固定在微波腔內(nèi)，一對反亥姆霍茲線圈和一對亥姆霍茲線圈固定在微波腔上，一對矩形線圈固定在微波腔上，磁屏蔽系統(tǒng)與真空系統(tǒng)相連，半導(dǎo)體激光器提供囚禁光和回泵光光束，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器提供相干布居數(shù)囚禁激光光束，壓控晶體振蕩器與頻率綜合器相連，頻率綜合器與信號接收處理器、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和微波腔相連，光電探測器、微波功率接收器與信號接收處理器相連，信號接收處理器與壓控晶體振蕩器和垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器相連，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度好，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號H03L7/26GK201118551SQ20072008696
公開日2008年9月17日 申請日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者李潤兵, 謹(jǐn) 王, 詹明生 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所