[發(fā)明專利]集激光冷卻、選態(tài)和原子探測的微波腔

有效

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• 申請日: 2018-08-30
• 公開（公告）號: CN108983591B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設計）人: 王新文;呂德勝;任偉;彭向凱;劉亢亢;項靜峰;劉亮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種集激光冷卻、選態(tài)和原子探測的微波腔，包括微波腔主體、上端蓋、下端蓋和四個激光微波耦合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過微波激光耦合結(jié)構(gòu)可以往腔內(nèi)饋入激光，選態(tài)微波和探詢微波都由微波激光耦合結(jié)構(gòu)耦合進微波腔，利用激光冷卻技術(shù)將原子陷俘冷卻，通過微波與激光共同作用對原子實施態(tài)制備、頻率探詢、能級布居探測等操作，最后通過熒光探測窗口探測冷原子熒光信號。本發(fā)明可以應用在原子頻標、干涉儀、原子陀螺等領(lǐng)域，獲得小型化高精度冷原子自相關(guān)設備。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原子鐘，特別是一種應用于空間微重力環(huán)境，集激光冷卻、選態(tài)和原子探測的微波腔，該微波腔可以簡化原子鐘結(jié)構(gòu)，降低量子投影噪聲和Dick效應，提高原子鐘理論極限穩(wěn)定度的發(fā)明。

背景技術(shù)

1967年，秒定義被修改為原子秒，即以沒有干擾的¹³³Cs原子基態(tài)上兩個超精細能級之間的9192631770個周期所持續(xù)的時間為一秒。各種以此發(fā)展的時間測量裝置(原子鐘)不斷更新?lián)Q代，不確定度和穩(wěn)定度越來越高。隨著科技的發(fā)展，科學研究和生產(chǎn)生活對時間測量的精度需求越來越高，并且這種需求還在提升，例如在衛(wèi)星導航上，原子鐘更是其中的核心要素，直接關(guān)系到定位的準確程度，時間的精密測量在金融、工業(yè)、以及軍事上的應用關(guān)系到國家戰(zhàn)略安全。

原子鐘的性能提升以及冷原子的應用已經(jīng)拓展到空間微重力環(huán)境，法國的PHARAO空間冷原子鐘和中國的CACES空間冷原子鐘都是以冷原子為工作介質(zhì)、同時運行環(huán)境為空間微重力平臺，其中中國的空間冷原子鐘已經(jīng)成功發(fā)射并在軌運行，然而，無論是法國PHARAO還是中國的CACES，其采用的微波腔結(jié)構(gòu)都是矩形腔構(gòu)成的環(huán)形微波腔，這種腔組成的冷原子鐘，原子一般先在十四面體的冷卻區(qū)冷卻陷俘，再拋射至選態(tài)區(qū)選態(tài)，之后才進入環(huán)形微波腔和微波作用，兩次微波作用后原子運動到探測區(qū)，探測得到鐘信號。

一般情況下，在影響空間鐘穩(wěn)定度的幾種噪聲貢獻中，量子投影噪聲和Dick效應引入的本振噪聲占主要成分，它們分別與原子數(shù)和死時間比例有關(guān)，前述的環(huán)形微波腔結(jié)構(gòu)，主要有以下幾個問題：

1)原子數(shù)衰減較大。因為冷卻選態(tài)和微波探詢過程是分離的，原子在飛行過程中由于熱膨脹和與背景氣體碰撞會有較大損耗。

2)死時間比例較大。原子冷卻陷俘、選態(tài)和探測區(qū)分離，需要的時間較多。

所以，環(huán)形微波腔的量子投影噪聲和Dick效應引入的本振噪聲較大，原子鐘的穩(wěn)定度極限在左右。

發(fā)明內(nèi)容

為了更好地利用空間微重力環(huán)境，并且克服上述現(xiàn)有環(huán)形微波腔的問題，進一步提升原子鐘整機性能，本發(fā)明提供一種集激光冷卻、選態(tài)和原子探測的微波腔，將傳統(tǒng)的激光冷卻區(qū)、選態(tài)區(qū)、探測區(qū)與Ramsey作用區(qū)分離的模式改進為一體化集成的工作方式，該裝置與環(huán)形腔相比，原子鐘的整體結(jié)構(gòu)會更加簡潔，有利于空間應用減輕重量，另外鐘周期時間減小且死時間比例降低，Dick效應貢獻的噪聲減小，在相同Ramsey線寬的情況下，腔內(nèi)冷卻由于較短的鐘周期，冷原子衰減時間更短，原子數(shù)損失更少，相應量子投影噪聲更小。綜合下來，這種微波腔設計具有更小量子投影噪聲以及Dick效應噪聲優(yōu)勢，理論穩(wěn)定度能進一步提高一個量級，是一種更具優(yōu)勢的微波腔結(jié)構(gòu)設計方案。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種集激光冷卻、選態(tài)和原子探測的微波腔，其特點在于，包括微波腔主體、上端蓋、下端蓋和四個激光微波耦合結(jié)構(gòu)；

所述的微波腔主體的內(nèi)表面為圓柱形或矩形腔體，外側(cè)面為八面體或其他多面體，所述的上端蓋、下端蓋分別安裝在微波腔主體的上下兩端，兩端蓋沿中軸線分別設有兩個激光饋入通道，在兩端蓋上還設有原子通道，所述的原子通道的軸線與激光饋入通道的軸線成夾角β，該夾角的范圍為0°<β<75°，在所述的微波腔主體的周側(cè)均勻地設有四個側(cè)孔，在每兩個相鄰的側(cè)孔之間的同一平面內(nèi)均設有一個熒光探測窗口，所述的熒光探測窗口真空密封地安裝有熒光透鏡，微波腔諧振頻率的精細調(diào)節(jié)通過精細研磨上端蓋面和下端蓋面實現(xiàn)；