[发明专利]空心光束激光冷却柱型积分球装置

说明书

一种空心光束激光冷却柱型积分球装置，包括真空系统和光学系统。将空心光束通过环形反射镜注入到柱型积分球腔内，在柱型积分球内形成漫反射光场来冷却原子。本发明主要利用空心光束特有的光场结构，增加探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周边的冷原子分布，从而提高了积分球冷原子钟探测信号的信噪比和对比度，对优化积分球冷原子钟性能和稳定度指标具有重要意义。

技术领域

本发明涉及原子钟的激光冷却技术，特别是一种空心光束激光冷却柱型积分球装置。该装置增加了积分球探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周围的冷原子分布，从而提高钟信号的稳定度。

背景技术

原子钟是全球定位系统的核心，原子钟的准确度和稳定度决定了导航定位的精度以及系统的性能，高精度星载原子钟是我国高精度对地观测系统及高精度卫星导航系统建设的迫切需求。而积分球冷却中性原子具有装置简单，不需要磁场，体积小，重量轻，易实现等优点，将作为下一代的星载原子钟。如何提高积分球冷原子钟的信噪比，降低钟信号的对比度，进而提高原子钟的稳定度成为人们日益关注的重点。目前,上海光机所积分球冷原子钟2万秒的稳定度指标达到了3.5×10^-15(引自论文“Improvement in medium long-termfrequency stability of the integrating sphere cold atom clock”,作者P.liu,H.D.Cheng,Y.L.Meng,J.Y.Wan,X.M.Wang,L.Xiao and L.Liu)。该系统将冷却光均分为四束，从柱型腔的底部入射，但是这种结构存在些不足之处。

一、积分球注入光对原子的加热作用，积分球内的冷原子团是中间少两边多的密度分布，不利于原子钟信噪比的提高。

二、探测轴线两边较大范围内仍有大量冷原子，会发生非平衡Ramsey跃迁，降低钟信号的对比度。

发明内容

本发明的目的在于提高积分球探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周围的冷原子数，提供一种空心光束激光冷却柱型积分球的装置，该装置应用到积分球冷原子钟中，有利于提高钟信号的信噪比和对比度，最终提高积分球冷原子钟的稳定度。

本发明的技术解决方案如下：

一种空心光束激光冷却柱型积分球装置，包括真空系统和光学系统，其特点在于，所述的真空系统包括四通腔体，该四通腔体的第一端口依次连接有铷源和铷源阀门，该四通腔体的第二端口连接柱型积分球，该四通腔体的第三端口，即四通腔体与柱型积分球相对的一面设有通光窗口,该四通腔体的第四端口接有离子泵；

所述的光路系统包括冷却光路和探测光路，沿冷却光路依次设置有第一透镜、第二透镜、第一圆锥棱镜、第二圆锥棱镜和环形反射镜；所述的第一透镜和第二透镜组成一组缩束透镜组或扩束透镜组，所述的第一透镜、第二透镜、第一圆锥棱镜、第二圆锥棱镜和环形反射镜的中心在同一直线上，且第二圆锥棱镜和环形反射镜成45度角放置，柱型积分球和环形反射镜成45度角放置，柱型积分球和环形反射镜的中心在一条直线上；

沿探测光路设置有第三透镜和光电管，所述的光电管置于第三透镜的焦点处；

冷却光经过第一透镜和第二透镜后光斑半径改变，经过第一圆锥棱镜成为发散的空心光束，再经过第二圆椎棱镜变成平行空心光束，空心光束经环形反射镜反射后垂直射入柱型积分球内，在柱型积分球内形成各向同性的漫反射光场；

探测光从通光窗口中心垂直射入到柱型积分球内，并通过柱型积分球的顶部中心出射后，经第三透镜后被光电管接收。

所述的柱型积分球的外壁喷涂漫反射材料。

所述的漫反射材料对780nm波长的漫反射率大于98％。

所述的通光窗口上镀有780nm波长的增透膜。