[发明专利]双光子跃迁铷原子钟

说明书

本发明公开一种双光子跃迁铷原子钟，微波跃迁采用Δm＝2基态F＝1,m_F＝‑1到F＝2,m_F＝1或F＝1,m_F＝1到F＝2,m_F＝‑1双微波光子跃迁作为钟跃迁频率，而非传统的Δm＝0的基态F＝1,m_F＝0到F＝2,m_F＝0单微波光子跃迁。在魔术磁场处，双微波光子跃迁的一阶塞曼频移等于0，二阶塞曼频移系数小于0‑0跃迁；频移为负kHz量级，抵消缓冲气体引起的正向频移；减小了外界杂散磁场起伏对铷原子钟稳定度的影响。双光子跃迁铷原子钟包括压控晶振、微波频率综合器、射频信号源、量子鉴频模块、微处理器和补偿模块；在量子鉴频模块中，射频场、微波场和激光场为轴向，静磁场垂直于轴向，实现Δm＝2的钟跃迁。本发明可以提高铷原子钟的稳定度和准确度。

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，特别涉及一种双光子跃迁铷原子钟。

背景技术

原子钟是量子物理学与电子学高度结合的产物，是波谱学在技术应用最突出的成就之一。以它为基础的时间频率测量的相对精度和准确度远远超过其他物理量测量的精度，为此人们常常把其他物理量，如长度、温度、电压等设法转换成频率(时间)来进行测量以提高其精确度。原子钟不仅在导航、通讯、定位等方面有着广泛的应用，而且也是测定物理常数和检验物理理论(如量子电动力学、相对论等)的精密实验的必要工具。

其中应用最为广泛的铷原子钟，具有体积小、价格低、预热快、功耗小等特点，是一种传统的实用性原子频标。为了减小外界环境对原子钟的影响，选择对磁场不敏感的基态塞曼子能级跃迁作为钟频。对于铷原子，选择F＝2,m_F＝0到F＝1,m_F＝0跃迁频率作为钟跃迁频率，见图1，F表示基态超精细能级，m_F表示塞曼磁子能级。在轴向加一弱静磁场，实现铷原子基态的塞曼子能级分裂，其相对于磁场B一阶塞曼频移0，钟跃迁频率与磁场B的关系为：f＝f₀+574B²，其中f₀为没有扰动时铷原子基态的跃迁频率。

铷原子钟采用铷气室作为工作介质，为了压窄微波跃迁的线宽，提高原子的相干时间，铷气室中充有惰性气体作为缓冲气体。通过缓冲气体与碱金属原子的弹性碰撞，将原子限制在与微波波长相当的空间中，增加原子的相干时间，得到远远小于多普勒线宽的跃迁谱线。但碰撞引起碱金属原子波函数相位的移动，从而在微波跃迁频率中引入频移，称为气压频移。气压频移取决于缓冲气体的种类和温度，通过选用两种合适的气体可以大大减小气压频移。实际实验中，在有限的温度范围内，缓冲气体频移可以表示为温度的二次函数，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为两种混合缓冲气体的总气压。β'_0s、δ'_0s和γ'_0s分别是混合缓冲气体的气压系数、线形温度系数和二次温度系数，这些参量可通过下式计算得：β_i，δ_i，γ_i分别为对应缓冲气体的气压系数、线性温度系数和二次温度系数，r为两种气体的气压比P₂/P₁。其中ΔT＝(T-T₀)，T为工作温度，T₀为参数测量的参考温度。