[發明專利]一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘裝置和方法

有效

• 申請號: 202111042505.0
• 申請日: 2021-09-06
• 公開（公告）號: CN113721444B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 王秀梅;陳景標;何進;王亮;劉亞軒;高連山;李春來;胡國慶
• 申請（專利權）人: 深港產學研基地(北京大學香港科技大學深圳研修院)
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 蘇州國卓知識產權代理有限公司 32331
• 代理人: 劉晶晶

1.一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘裝置，其特征在于：所述積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘裝置由內向外包括中心部分，所述中心部分為冷原子物理部分，外部為所需的光電部分和微波部分，其中冷原子物理由內到外包括冷原子團、光晶格、微波腔、真空系統和平凸光學諧振腔；所述所需的光電部分包括冷卻光、再抽運光和抽運光、囚禁光、腔頻探測光、濾光片、腔頻探測器、0°反射鏡、鐘信號探測光、45°反射鏡和光電探測器；所述微波部分包括鐘信號、伺服電路、伺服信號、本地振蕩器、微波鏈路、GHz信號和輸出信號；

所述微波部分中，鐘信號作為整鐘閉環鎖定時必需的信號，主要通過冷原子與微波分離振蕩場相互作用獲取，體現在被吸收的鐘信號探測光光強上，所述伺服電路將鐘信號進行處理，形成過零點的誤差信號，而誤差信號被進一步通過PID算法形成伺服信號，所述本地振蕩器主要提供射頻信號，輸出兩路，一路通過微波鏈路倍頻成GHz信號進入物理部分，另一路作為輸出信號，表征整鐘的閉環鎖定的性能特性；

所述微波部分中，微波鏈路接收本地振蕩器的射頻信號，將其倍頻成與原子基態能級諧振的GHz信號，GHz信號通過微波線纜注入進微波腔中，進而在微波腔中形成微波場與冷原子進行相互作用，輸出信號作為本地振蕩器也即整鐘的輸出信號，與標準信號進行比較，從而得到輸出信號的頻率穩定度特性。

2.根據權利要求1所述的一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘裝置，其特征在于：所述物理部分中，冷原子團作為核心研究對象，微波腔同時進行漫反射激光冷卻和提供微波場與冷原子進行相互作用，平凸光學諧振腔形成光晶格對冷原子進行長時間囚禁，避免擴散和向下的自由落體運動，真空系統為冷原子提供高真空貯存環境，避免碰撞耗散作用。

3.根據權利要求1所述的一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘裝置，其特征在于：所述光學部分中，冷卻光、再抽運光和抽運光三種光束都以一定發散角注入進微波腔中，形成漫反射的各向同性光場。

4.一種用于權利要求1所述的積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘裝置的方法，其特征在于，包括如下階段：

Step1：漫反射激光冷卻階段；

Step2：態制備階段；

Step3：制備自旋相干態階段；

Step4：制備自旋壓縮態階段；

Step5：自旋90度旋轉階段；

Step6：量子態自由演化階段；

Step7：自旋編碼進態布居階段；

Step8：探測階段；

Step9：整鐘閉環鎖定階段。

5.根據權利要求4所述的一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘方法，其特征在于：所述Step1漫反射激光冷卻階段，在漫反射激光冷卻時間內，先利用冷卻光通過微波腔內的多次漫反射形成的各向同性光場將原子冷卻至基態上能級，并且冷卻過程中再抽運光使用冷原子一直保持在該能級；所述Step2態制備階段，在之后的態制備時間內，抽運光統一將基態上能級的原子制備至基態下能級，為進行量子自旋壓縮態制備和分離振蕩場相互作用過程做準備。

6.根據權利要求4所述的一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘方法，其特征在于：所述Step3制備自旋相干態階段當冷原子均處于基態下能級后，利用平凸光學諧振腔形成光晶格對冷原子進行裝載和囚禁，之后在第一次微波脈沖相互作用內，冷原子與微波進行第一次π/2相互作用形成自旋相干態；所述Step4制備自旋壓縮態階段，在自旋相干態的基礎上，在自旋壓縮態制備時間內，開始制備自旋壓縮態；所述Step5中自旋90度旋轉階段，在第二次微波脈沖相互作用時間內，制備完自旋壓縮態后，將自旋旋轉90度，將布居數壓縮轉換為相位壓縮，此時自由演化過程開始。

7.根據權利要求4所述的一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘方法，其特征在于：所述Step6量子態自由演化階段，在自由演化時間內，自旋態積累一定的相位；所述Step7自旋編碼進態布居階段，在第三次微波脈沖相互作用時間內，該相互作用將原子的自旋信息編碼在兩個內態之間的布居差中，便于探測。

8.根據權利要求4所述的一種積分球量子自旋壓縮態冷原子微波鐘方法，其特征在于：所述Step8探測階段，完成全部的冷原子與微波相互作用干涉過程后，在探測時間內，產生的包含本地振蕩器頻率偏差的冷原子干涉信號最終通過吸收探測法進行鐘信號探測得到；所述Step9整鐘閉環鎖定階段，鐘信號經伺服電路處理后產生表征本地振蕩器頻率變化量的誤差信號，誤差信號進一步處理后形成伺服信號，伺服信號作用于本地振蕩器后將補償本地振蕩器輸出頻率的變化量，最終將本地振蕩器的輸出頻率鎖定到原子基態能級之間躍遷頻率上。