[發(fā)明專利]雙光子躍遷銣原子鐘

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711072122.1
• 申請日: 2017-11-03
• 公開（公告）號: CN107783412B
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜志靜;王柯穆;劉濤;張曉斐;張首剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院國家授時中心
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 61200 西安通大專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 田洲<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入國

本發(fā)明公開一種雙光子躍遷銣原子鐘，微波躍遷采用Δm＝2基態(tài)F＝1,m_F＝?1到F＝2,m_F＝1或F＝1,m_F＝1到F＝2,m_F＝?1雙微波光子躍遷作為鐘躍遷頻率，而非傳統(tǒng)的Δm＝0的基態(tài)F＝1,m_F＝0到F＝2,m_F＝0單微波光子躍遷。在魔術(shù)磁場處，雙微波光子躍遷的一階塞曼頻移等于0，二階塞曼頻移系數(shù)小于0?0躍遷；頻移為負(fù)kHz量級，抵消緩沖氣體引起的正向頻移；減小了外界雜散磁場起伏對銣原子鐘穩(wěn)定度的影響。雙光子躍遷銣原子鐘包括壓控晶振、微波頻率綜合器、射頻信號源、量子鑒頻模塊、微處理器和補償模塊；在量子鑒頻模塊中，射頻場、微波場和激光場為軸向，靜磁場垂直于軸向，實現(xiàn)Δm＝2的鐘躍遷。本發(fā)明可以提高銣原子鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于原子鐘技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙光子躍遷銣原子鐘。

背景技術(shù)

原子鐘是量子物理學(xué)與電子學(xué)高度結(jié)合的產(chǎn)物，是波譜學(xué)在技術(shù)應(yīng)用最突出的成就之一。以它為基礎(chǔ)的時間頻率測量的相對精度和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他物理量測量的精度，為此人們常常把其他物理量，如長度、溫度、電壓等設(shè)法轉(zhuǎn)換成頻率(時間)來進(jìn)行測量以提高其精確度。原子鐘不僅在導(dǎo)航、通訊、定位等方面有著廣泛的應(yīng)用，而且也是測定物理常數(shù)和檢驗物理理論(如量子電動力學(xué)、相對論等)的精密實驗的必要工具。

其中應(yīng)用最為廣泛的銣原子鐘，具有體積小、價格低、預(yù)熱快、功耗小等特點，是一種傳統(tǒng)的實用性原子頻標(biāo)。為了減小外界環(huán)境對原子鐘的影響，選擇對磁場不敏感的基態(tài)塞曼子能級躍遷作為鐘頻。對于銣原子，選擇F＝2,m_F＝0到F＝1,m_F＝0躍遷頻率作為鐘躍遷頻率，見圖1，F(xiàn)表示基態(tài)超精細(xì)能級，m_F表示塞曼磁子能級。在軸向加一弱靜磁場，實現(xiàn)銣原子基態(tài)的塞曼子能級分裂，其相對于磁場B一階塞曼頻移0，鐘躍遷頻率與磁場B的關(guān)系為：f＝f₀+574B²，其中f₀為沒有擾動時銣原子基態(tài)的躍遷頻率。

銣原子鐘采用銣氣室作為工作介質(zhì)，為了壓窄微波躍遷的線寬，提高原子的相干時間，銣氣室中充有惰性氣體作為緩沖氣體。通過緩沖氣體與堿金屬原子的彈性碰撞，將原子限制在與微波波長相當(dāng)?shù)目臻g中，增加原子的相干時間，得到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多普勒線寬的躍遷譜線。但碰撞引起堿金屬原子波函數(shù)相位的移動，從而在微波躍遷頻率中引入頻移，稱為氣壓頻移。氣壓頻移取決于緩沖氣體的種類和溫度，通過選用兩種合適的氣體可以大大減小氣壓頻移。實際實驗中，在有限的溫度范圍內(nèi)，緩沖氣體頻移可以表示為溫度的二次函數(shù)，即Δν_BG＝P_s(β'_0s+δ'_0sΔT+γ'_0s(ΔT)²)[A.Godone,F.Levi,S.Micalizio,CoherentPopulation Trapping Maser,Edizioni C.L.U.T.-Torino,2002]，其中P_s＝P₁+P₂為兩種混合緩沖氣體的總氣壓。β'_0s、δ'_0s和γ'_0s分別是混合緩沖氣體的氣壓系數(shù)、線形溫度系數(shù)和二次溫度系數(shù)，這些參量可通過下式計算得：β_i，δ_i，γ_i分別為對應(yīng)緩沖氣體的氣壓系數(shù)、線性溫度系數(shù)和二次溫度系數(shù)，r為兩種氣體的氣壓比P₂/P₁。其中ΔT＝(T-T₀)，T為工作溫度，T₀為參數(shù)測量的參考溫度。