[發明專利]基于原子輸運的小型空間冷原子鐘的裝置

有效

• 申請號: 202111337893.5
• 申請日: 2021-11-10
• 公開（公告）號: CN114153134B
• 公開（公告）日: 2023-02-10
• 發明（設計）人: 魏榮;趙偉靖;姬清晨
• 申請（專利權）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: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于原子輸運的小型空間冷原子鐘的裝置，包括原子俘獲腔、微波諧振腔及探測區三個組成部分。通過多個移動光學粘膠脈沖作用的方法，實現空間微重力下冷原子云的快速動量交換，使冷原子云在俘獲區、作用區、探測區的10毫秒量級的快速轉移，并且在完成轉移后能夠停留在目標區域。輸運過程配合冷原子的制備?微波作用?探測時序實現原子鐘的整個時序。本發明具有結構簡單，體積較小，性能指標高等優點。

技術領域

本發明涉及空間冷原子鐘領域，利用移動光學粘膠的作用實現冷原子云快速動量交換，在空間的相關領域有非常重要的作用。

背景技術

近些年，隨著人類對空間的逐步探索，除了對星系的觀察研究之外，對能夠利用空間中的微重力環境的想法也在逐步提上日程，其中就包括進行一些科學實驗，比如時間的校準。而校準時間的實現與空間鐘的研制及應用存在著正向的關系，空間鐘主要利用了與地球環境所不同的太空的微重力環境。在微重力環境條件下，原子團可以實現近乎于勻速的直線運動。并且與在地球的重力環境下的冷原子鐘相比，微重力環境下的原子鐘信號的精度更高，因為微重力環境下得到的拉姆西中心譜線線寬比地面冷原子噴泉鐘譜線窄了接近一個數量級。而且空間冷原子鐘可以對太空中對其他星載原子鐘在無干擾的的前提下進行信號的傳遞，因此比在陸地上鐘組得到的信號的更為精確。空間冷原子鐘的成功研制無疑將為各種量子敏感器件(如空間高精度時頻系統、空間冷原子物理系統、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等)的研制與應用奠定良好的技術基礎，并且在測量引力波，重力場，一些基本物理常數以及全球衛星導航定位等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。

關于空間冷原子鐘的研制，近些年也取得了比較大的進展，研發出了多種可實現的空間冷原子鐘裝置，其中就包括比較常見的積分球冷原子鐘和場移空間冷原子鐘，積分球冷原子鐘的冷卻是全光冷卻，不需要磁光阱捕獲冷原子時所需要的大磁場，因此功耗很低，也可以捕獲更大速度范圍內的原子，冷卻效率比較高。但是它只能吸收一個方向的光，而我們知道光是在三維方向上進行傳輸的，因此該鐘的光通量很低，對光的利用率也比較低；對于場移空間冷原子鐘來說，場移空間冷原子鐘體積小，重量輕，便于運輸，但也正應如此，其固定原子的難度較大，不易實現。

發明內容

本發明為彌補現有空間冷原子鐘的不足，提供了一種基于原子輸運的空間冷原子鐘的裝置及方法。對于輸運式空間冷原子鐘來說，其與在地表運行的噴泉鐘的最大不同之處是，地表原子鐘是利用了重力的因素從而實現了原子的速度變化過程，而在太空中的微重力條件下，空間鐘是通過光學辦法來實現冷原子在不同功能區域的搬運與停留，從而完成原子鐘時序。本發明采用了外加移動光學粘膠的方法實現原子的動量交換，利用在原子俘獲區域存在的光束饋入窗口，我們多次利用了移動光學粘膠，使得原子多次實現動量交換。從而實現將選態過程及原子與微波相互作用過程均放在了微波腔中進行，該方法具有結構簡單，體積較小，性能指標高等優點。

本發明通過以下技術方案實現的：

一種基于原子輸運的小型空間冷原子鐘的裝置，其特征在于，包括真空腔和纏繞外加線圈磁場的原子俘獲腔，在所述的真空腔內設有原子探測區和微波諧振腔，在該真空腔外設有磁屏蔽腔，在所述的俘獲腔上設有多個用于饋入的窗口，在所述的原子探測區設有探測光入射窗口和熒光探測窗口，所述的微波諧振腔上設有微波饋入窗口。