一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟及实现方法

1.本发明属于原子钟与量子频率标准技术领域，具体涉及一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟及实现方法。


背景技术：

2.原子钟作为时间单位秒定义的仪器设备，应用非常广泛，遍及精密科学测量，诸如大地测量学、物理原理验证、国际单位制定义等，以及工程技术发展，如卫星导航定位、信息网络、火箭导弹制导、精密仪器加工等领域。原子钟自1948年问世以来，由于广泛的应用需求，发展迅速，从已经实现商业化生产的微波原子钟，如小铯钟、氢钟、铷钟、cpt(coherent population trapping，相干布居数囚禁)原子钟，到基于激光冷却和陷俘技术的冷原子光频原子钟(光钟)，原子钟的准确度从10-14
进入到了10-18
水平，使时间、频率成为目前被测量的最准确的物理量，对科学技术发展产生了重要影响。
3.目前国际上性能最好的原子钟，当属量子参考跃迁在光频频段的光钟，如锶原子光晶格钟、镱离子光钟、铝离子光钟等，其频率不稳定度已经进入了10-18
甚至10-19
量级，他们都属于被动光钟。其发展共包含三项关键技术：首先，利用激光冷却原子/离子技术，将量子参考温度冷却到μk甚至更低的温度，从而获得超窄线宽量子跃迁谱线；其次，为了探测该量子跃迁谱线，需要窄线宽的本振激光，常用的方法是通过pound-drever-hall技术，将本振激光锁定在超稳光学参考腔的共振频率处；最后，利用光学频率梳将光频率与微波频率或其他波段的光频率连接起来，实现光学频率标准的应用。其中，限制被动光钟发展的主要因素之一为超稳光学参考腔引入的腔长热噪声。为了解决该问题，需要超低热膨胀系数的特殊材料制作谐振腔，如单晶硅或微晶玻璃，为了满足该材料的零膨胀温度点，参考腔需要放置在几开尔文的超低温环境下，系统结构复杂、加工难度大、造价昂贵。
4.为了解决腔长热噪声的问题，在2005年北京大学提出了主动光钟方案，将原子受激发射信号直接作为光学频率标准，激光工作在坏腔区域，即原子衰减率远小于腔衰减率，激光频率取决于原子跃迁频率，而非腔模频率，可以很好的抑制腔长热噪声的影响。目前国际上实现的主动光钟按照量子系统的不同划分，主要分为三类：光晶格囚禁型、原子束型和原子气室型。其中，光晶格囚禁型主动光钟由于原子数目少、所选原子的自发辐射率低，导致目前实验实现的主动光频标工作在脉冲模式下，且光功率低，只有pw量级，系统复杂度高；原子束型主动光钟虽然可以解决脉冲工作模式的限制，输出激光的短期频率不稳定度和频率准确度主要受限于二阶多普勒效应，输出功率在几μw量级；原子气室型主动光钟实现的激光功率最大，可达百μw量级，但是激光的频率不稳定度和准确度严重受限于热原子的多普勒频移、碰撞频移的影响。
5.综上，本发明关注的核心问题，是寻找新方法解决主动光钟面临的脉冲型工作模式、输出功率低、以及多普勒频移的问题，提高原子钟的性能，并扩展其应用范围。


技术实现要素：

6.为了克服上述主动光钟面临的问题，本发明提出一种新型的基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟的方案。该方案即可以解决热原子碰撞频移、多普勒频移的影响，又可以解决光晶格方案中原子数目过少、脉冲工作模式的问题。
7.利用漫反射原理实现原子的冷却最早是在1979年提出的，其利用漫反射形成各向同性的漫反射光场，进而冷却原子。该方法即可以在很大速度范围内捕获原子，又可以避免mot(magneto-optical trap，磁光阱)冷却里面的磁场线圈，系统集成度高。利用该原理，本发明首次给出基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟的方案：首先，在一个长为0.5-1m的圆柱玻璃气室中充入碱金属原子作为实现主动光频标的增益介质；其次，在玻璃气室表面均匀的涂抹漫反射材料，该材料对冷却光波长的光高反，冷却光通过多根光纤耦合到玻璃气室内，利用气室表面对冷却光的漫反射，通过激光辐射压力使气室内所充入碱金属原子被冷却，从而减小多普勒频移、碰撞频移对主动光频标的影响；最后，在原子气室两端分别放置谐振腔镜，在外部泵浦源激励下，使冷却原子在主动光频标对应的目标跃迁能级间形成布居数反转，通过谐振腔的弱反馈，实现主动光频标信号输出。将碱金属原子的一跃迁能级作为目标跃迁能级；该目标跃迁能级的高能级上原子跃迁到该目标跃迁能级的低能级时发出的光为光频标，即冷原子主动光钟输出的激光。
8.该方案具有四点优势：(1)相比于冷原子团长度只有毫米量级的mot冷却，本发明中原子气室长度达米量级，原子气室内部的所有原子都可以通过漫反射冷却，可以显著提高谐振腔内的有效原子数目。因此，相比于光晶格囚禁型主动光钟、原子束型主动光钟，可以大大提高主动光频标输出功率到百μw量级；(2)不需要外加磁场就可以冷却原子，结构简单，系统集成度高；(3)该发明可以连续冷却原子，相比于光晶格囚禁型主动光钟，可以解决脉冲工作模式的限制；(4)通过漫反射冷却，原子衰减率接近对应能级跃迁的自发辐射率，腔衰减率远大于原子衰减率，激光工作在极坏腔区域，相比于原子气室主动光钟方案，可以进一步抑制腔牵引效应。
9.本发明的一个目的在于提出了一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟，其包括：冷却激光源、重泵激光源、全反镜、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第三半波片、第二偏振分光棱镜、第四半波片、第三偏振分光棱镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、泵浦光源、长条形原子气室、平凹腔镜、压电陶瓷片、双色镜。
10.其中，从所述碱金属原子中选取一对能够对所述碱金属原子冷却的跃迁能级作为冷却跃迁能级，冷却跃迁能级的上能级粒子跃迁到冷却跃迁能级的下能级时发出的光频率为冷却跃迁频率；所述冷却光的频率为相对于冷却跃迁频率红失谐的频率；比如冷却激光源的输出频率首先通过饱和吸收谱或者调制转移谱等稳频方式稳频，频率稳定到铷原子或者铯原子基态到第一激发态的d2跃迁线的一个超精细能级跃迁频率上(如果是铷原子，则稳频到基态到第一激发态d2跃迁线的f＝2到f＝3的超精细跃迁频率；如果是铯原子，则稳频到基态到第一激发态d2跃迁线的f＝4到f＝5的超精细跃迁频率)，然后通过声光调制器进行移频，使激光频率对铷原子或者铯原子基态到第一激发态的d2跃迁线为红失谐，达到漫反射激光冷却的效果；冷却激光源最终的输出频率为相对于冷却跃迁频率红失谐的频率，用于冷却原子气室内所充入的碱金属原子。
11.从所述碱金属原子中选取一对能够提高所述碱金属原子冷却效率的跃迁能级作为重泵跃迁能级，重泵跃迁能级的上能级粒子跃迁到重泵跃迁能级的下能级时发出的光频率为重泵跃迁频率；所述重泵浦光的频率为重泵跃迁频率；比如重泵激光源的输出频率通过饱和吸收谱或者调制转移谱等稳频方式稳频，频率稳定到铷原子或者铯原子基态到第一激发态的d2跃迁线的一个超精细能级跃迁频率上(如果是铷原子的话，重泵激光的输出频率对应基态到第一激发态d2跃迁线的f＝1到f＝2的超精细跃迁频率；如果是铯原子，重泵激光的输出频率对应基态到第一激发态d2跃迁线的f＝3到f＝4的超精细跃迁频率)，提高漫反射激光冷却效率；重泵激光源的输出频率为重泵跃迁频率，用于提高冷却原子气室内所充入的碱金属原子的效率。
12.第一半波片与第一偏振分光棱镜结合、第二半波片与第一偏振分光棱镜结合、第三半波片与第二偏振分光棱镜结合、第四半波片与第三偏振分光棱镜结合，通过调节半波片与偏振分光棱镜之间的角度，分别用来控制用于漫反射激光冷却的冷却光和重泵光的功率；
13.泵浦光源通过饱和吸收谱或者调制转移谱等稳频方式稳频，频率稳定到铷原子或铯原子基态到第二激发态的d1跃迁线的一个超精细能级跃迁频率上(所选跃迁能级为主动光频标对应的目标跃迁能级)，用于泵浦长条形原子气室中的原子；泵浦激光源用于对原子气室内所充入的碱金属原子进行泵浦，使得主动光频标对应的目标跃迁能级间形成粒子布居数反转。
14.第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器均为一分二的多模光纤(也可以是一分多的光纤耦合器)；
15.长条形原子气室长0.5-1米，由双层石英玻璃制成，用于提高原子气室的控温精度，里面可以填充碱金属原子或者碱金属原子加缓冲气体，该碱金属原子作为实现主动光频标的增益介质，碱金属原子可以是铷原子或铯原子，缓冲气体可以是惰性气体，如氩、氪或氙；
16.长条形原子气室两端镀膜，均对泵浦光源的输出波长高透，并且，有一端对主动光频标的波长有一定反射率，作为实现主动光频标谐振腔的一个腔镜，与平凹腔镜共同形成一个谐振腔，形成谐振腔的两个端面的镀膜，根据实验条件确定，需要满足主动光频标工作在坏腔区域，同时满足激光的振荡条件；
17.长条形冷原子气室外部喷涂漫反射材料，该漫反射材料对冷却光和重泵光波长的光高反，反射率高达98％以上，并且，在谐振腔方向上留有两个直径为2mm的透光区域用于通过泵浦光，在气室圆柱面上留有八个直径为2mm的透光区域，用于通过冷却光和重泵光；
18.压电陶瓷片固定在平凹腔镜上，用于调节谐振腔的腔长；
19.双色镜采用两点镀膜，对泵浦光源的波长高透，对主动光频标的波长高反。
20.本发明的另一个目的在于提出一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟的实现方法，包括以下步骤：
21.1)冷却激光源输出的冷却激光通过声光调制器进行移频，使激光为红失谐，失谐频率大小可以通过实验优化，用于冷却长条形冷原子气室中的碱金属原子；
22.2)重泵激光源输出的重泵浦激光用于提高冷却长条形冷原子气室中的碱金属原子的效率；冷却光的光强远大于重泵浦光的光强；
23.3)冷却激光源输出的激光通过全反镜，输入到第一半波片上；
24.4)重泵激光源输出的激光输入到第二半波片上；
25.5)将步骤3)中的光输入到第一偏振分光棱镜上，其反射光与经过第二半波片输入到第一偏振分光棱镜上的透射光合束；
26.6)将步骤4)中的光输入到第一偏振分光棱镜，其透射光，与经过第二半波片输入到第一偏振分光棱镜上的反射光合束；
27.7)将步骤5)中的光经第三半波片输入到第二偏振分光棱镜；
28.8)将步骤6)中的光经第四半波片输入到第三偏振分光棱镜；
29.9)将步骤8)中的经第三偏振分光棱镜透射的光输入到第一光纤耦合器，反射的光输入到第二光纤耦合器；
30.10)将步骤7)中的经第二偏振分光棱镜反射的光输入到第三光纤耦合器，透射的光输入到第四光纤耦合器；
31.11)步骤9)和步骤10)中，经光纤耦合器输出的光均分为两路，分别入射到长条形冷原子气室内，用于漫反射冷却原子；
32.12)经步骤11)，长条形原子气室中的原子实现漫反射激光冷却后，从泵浦激光源输出的泵浦光用于泵浦长条形原子气室中的碱金属原子，通过调节固定在平凹腔镜上的压电陶瓷，调节主动光钟谐振腔腔长，在谐振腔的弱反馈下，使与主动光频标对应的目标跃迁能级间实现粒子数反转，输出主动光频标；
33.13)经步骤12)输出的主动光频标通过双色镜反射后输出，可应用到精密测量领域。
34.本发明的新颖性和优点：
35.本发明首次提出了一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟。通过漫反射激光冷却长条形原子气室中的原子来获取主动光钟里的增益介质冷原子，使原子气室中的所有原子都能得到冷却，即可以有效提高冷原子数目，实现功率较大的连续型主动光频标输出，又可以减小热原子碰撞频移、多普勒频移的影响，提高主动光频标的频率不稳定度和准确度。该方法可以有效解决光晶格型主动光钟方案存在的脉冲型输出、激光功率过低的问题；也可以减小热原子束型主动光钟方案存在的二阶多普勒频移的影响；同时，也可以避免原子气室型主动光钟方案中热原子碰撞频移的影响。
附图说明
36.图1为本发明的一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟的实施例一的示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
38.实施例一
39.如图1所示，本实施例的一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟包括：冷却激光源1、重泵激光源2、全反镜3、第一半波片4、第二半波片5、第一偏振分光棱镜6、第三半波片7、第二偏振分光棱镜8、第四半波片9、第三偏振分光棱镜10、第一光纤耦合器11、第二
光纤耦合器12、第三光纤耦合器13、第四光纤耦合器14、泵浦光源15、长条形原子气室16、平凹腔镜17、压电陶瓷片18、双色镜19。
40.其中，冷却激光源1的输出频率首先通过饱和吸收谱或者调制转移谱等稳频方式稳频，频率稳定到铷原子基态到第一激发态的d2跃迁线(波长为780nm)的一个超精细能级跃迁上(对应5s
1/2
f＝2-5p
1/2
f＝3跃迁)，或者频率稳定到铯原子基态到第一激发态的d2跃迁线(波长为852nm)的一个超精细能级跃迁上(对应6s
1/2
f＝4-6p
1/2
f＝5跃迁)，所选跃迁能级作为冷却跃迁能级，冷却跃迁能级的上能级粒子跃迁到冷却跃迁能级的下能级时发出的光频率为冷却跃迁频率；然后通过声光调制器进行移频，使激光频率对铷原子780nm跃迁或者铯原子852nm跃迁线为红失谐，失谐频率一般为对应铷原子780nm跃迁或者铯原子852nm跃迁的自然线宽的2-3倍，从而达到漫反射激光冷却的效果；
41.重泵激光源2的输出频率通过饱和吸收谱或者调制转移谱等稳频方式稳频，铷原子基态到第一激发态的d2跃迁线(波长为780nm)的一个超精细能级跃迁上(对应5s
1/2
f＝1-5p
1/2
f＝2跃迁)，或者频率稳定到铯原子基态到第一激发态的d2跃迁线(波长为852nm)的一个超精细能级跃迁上(对应6s
1/2
f＝3-6p
1/2
f＝4跃迁)，该所选跃迁能级作为重泵跃迁能级，重泵跃迁能级的上能级粒子跃迁到重泵跃迁能级的下能级时发出的光频率为重泵跃迁频率，重泵浦光的频率为重泵跃迁频率，用于提高漫反射激光冷却的效率；
42.第一半波片4与第一偏振分光棱镜6结合、第二半波片5与第一偏振分光棱镜6结合、第三半波片7与第二偏振分光棱镜8结合、第四半波片9与第三偏振分光棱镜10结合，通过调节半波片与偏振分光棱镜之间的角度，分别用来控制用于漫反射激光冷却的冷却光和重泵光的功率；
43.泵浦光源15通过饱和吸收谱或者调制转移谱等稳频方式稳频，频率稳定到铷原子基态到第二激发态的d1跃迁线(波长为421nm)的一个超精细能级跃迁上(对应5s
1/2
f＝2-6p
1/2
f＝1跃迁，即目标跃迁能级)，或者频率稳定到铯原子基态到第二激发态的d1跃迁线(波长为459nm)的一个超精细能级跃迁上(对应6s
1/2
f＝4-7p
1/2
f＝3跃迁，即目标跃迁能级)，用于对泵浦长条形原子气室16中的碱金属铷原子或者铯原子进行泵浦，使得所述目标跃迁能级间形成粒子布居数反转；
44.第一光纤耦合器11、第二光纤耦合器12、第三光纤耦合器13、第四光纤耦合器14均为一分二的多模光纤，把冷却光和重泵光耦合到长条形原子气室16内，利用内壁对激光的漫反射，原子被激光辐射压力所制冷；
45.长条形原子气室16长0.5-1m，由双层石英玻璃制成，用于减小长条形原子气室16中原子的温度波动，长条形原子气室16里面可以填充碱金属原子或者碱金属原子加缓冲气体，该碱金属原子作为实现主动光频标的增益介质，碱金属原子可以是铷原子或铯原子，缓冲气体可以是惰性气体，如氩、氪或氙；
46.长条形原子气室16两端镀膜，均对泵浦光源15的输出波长高透，并且，一端(图1中长条形原子气室16的左端)对主动光频标的波长有一定反射率，作为实现主动光频标谐振腔的一个腔镜，主动光频标的波长与选用的增益介质的原子种类有关，若增益介质为铷原子，主动光频标的波长为1323nm或者1367nm，若增益介质为铯原子，主动光频标的波长为1359nm或者1470nm；该端面与平凹腔镜17共同形成一个谐振腔，形成谐振腔的两个面的镀膜，根据实验条件确定，需要满足主动光频标工作在坏腔区域，同时满足激光的振荡条件；
47.长条形冷原子气室16外部喷涂漫反射材料，如avian公司生产的avian-b水基硫酸钡白色反射涂料。该漫反射材料对冷却激光源1和重泵激光源2输出的激光的波长均为高反，反射率高达98％以上，并且，在谐振腔方向上留有两个直径为2mm的透光区域用于通过泵浦光源15输出的泵浦光，在气室圆柱面上留有八个直径为2mm的透光区域，用于通过冷却光和重泵光；
48.压电陶瓷片18固定在平凹腔镜17上，用于调节主动光钟谐振腔的腔长；
49.双色镜19采用两点镀膜，对泵浦光源的波长高透，透过率大于99％，对主动光频标的波长高反，反射率大于99％；
50.本实施例的一种基于漫反射冷却的长条形冷原子主动光钟的实现方法，包括以下步骤：
51.1)冷却激光源1输出的激光用于漫反射冷却长条形冷原子气室16中的碱金属原子；
52.2)重泵激光源2输出的激光用于提高冷却长条形冷原子气室16中的碱金属原子的效率；
53.3)冷却激光源1输出的激光通过全反镜3，输入到第一半波片4上；
54.4)重泵激光源2输出的激光输入到第二半波片5上；
55.5)将步骤3)中的光输入到第一偏振分光棱镜6上，其反射光与经过第二半波片5输入到第一偏振分光棱镜6上的透射光合束；
56.6)将步骤4)中的光输入到第一偏振分光棱镜6，其透射光，与经过第二半波片5输入到第一偏振分光棱镜6上的反射光合束；
57.7)将步骤5)中的光经第三半波片7输入到第二偏振分光棱镜8；
58.8)将步骤6)中的光经第四半波片9输入到第三偏振分光棱镜10；
59.9)将步骤8)中的经第三偏振分光棱镜10透射的光输入到第一光纤耦合器11，反射的光输入到第二光纤耦合器12；
60.10)将步骤7)中的经第二偏振分光棱镜8反射的光输入到第三光纤耦合器13，透射的光输入到第四光纤耦合器14；
61.11)步骤9)和步骤10)中，经光纤耦合器11、12、13、14输出的光均分为两路，分别入射到长条形冷原子气室16内，用于漫反射冷却原子；
62.12)经步骤11)，长条形原子气室16中的原子实现漫反射激光冷却后，从泵浦激光源1输出的泵浦光用于泵浦长条形原子气室16中的碱金属原子，通过调节固定在平凹腔镜17上的压电陶瓷18，调节主动光钟谐振腔腔长，在谐振腔的弱反馈下，使与主动光频标对应的目标跃迁能级间实现粒子数反转，输出主动光频标；
63.13)经步骤12)输出的主动光频标通过双色镜19反射后输出，可应用到精密测量领域。
64.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。