[发明专利]冷原子全光选态装置

说明书

一种冷原子全光选态装置，包括从上至下依次连接的真空法兰、光选态区、磁光阱和腔体基座；在冷原子喷泉钟开始工作时，基于磁光阱冷却，陷俘获得冷原子团并且在冷原子团上抛过程中同时进行钟态制备。本发明不仅大大增加了钟态原子数密度，还缩短了整钟的高度从而极大缩短间歇钟的死时间，从而达到缩短周期，提高冷原子钟短期稳定度的目的。本装置结构简单，易于实现，可作为激光冷原子喷泉钟的核心装置。

技术领域

本发明涉及激光冷却，以及光抽运技术，特别是一种主要用于冷原子钟，钟态制备的装置。

背景技术

伴随着空间冷原子钟的升空，我国成为世界上第一个在轨运行空间冷原子钟的国家。基于卫星导航，深空探测等需求。冷原子钟已经不仅仅是时间装置，它作为科学实验的研究以及工程应用的平台，被世界各国积极研究应用。冷原子钟在我们日常生活，以及科学研究中扮演着越来越重要的角色。

磁光阱，主要是基于激光冷却技术。原子在静磁场与光场的混合力阱作用下被冷却。磁光阱的发明给激光冷却与原子陷俘带来了极大便利，不仅仅技术简单易实现，还很容易获得温度足够低，足够数目(一般是10⁷～10¹⁰)的冷原子。如图5所示，磁光阱的光场主要由三个正交方向的σ⁺-σ^-驻波场组成，磁场由一对半径相同的反赫姆霍兹线圈提供。原子在三个维度的方向上都被减速，从而被冷却陷俘。

选态又称作原子态制备，是冷原子钟一项关键技术。上抛的冷原子团均匀地分布在基态的各个磁子能级上，然后通过微波，微波-光等办法把选取到某一态上，通常我们称作为钟态。然后进行原子继续飞行穿过Ramsey腔，经过探测，反馈控制等程序，从而获得钟信号。

通常的选态方式，微波-光选态基于⁸⁷Rb工作介质是将基态|F＝2,m_F＝0>磁子能级上的原子利用微波π脉冲转移到另一个基态磁子能级|F＝1,m_F＝0>，再通过选态光将基态|F＝2,m_F≠0>上的原子打跑。只留下|F＝1,m_F＝0>的原子继续飞行。

上述选态系统，包含微波以及光学两部分，装置复杂，具体应用过程中也有诸多问题：

1)原子利用率很低。对⁸⁷Rb来说，直接损失率为4/5。这不利于钟信号信噪比的提高；

2)结构复杂，多出一个微波腔，增加了钟的整体长度，间歇钟的死时间，从而增加了钟的周期，降低了钟的短期稳定度；

3)包含微波腔，钟整体体积，重量都是严重的考验，更加不利于钟的小型化。

发明内容

为了克服上述现有微波-光选态系统的缺陷，本发明提供一体化设计的冷原子全光选态装置，该装置中基于激光冷却与光抽运技术，实现冷原子钟的全光选态。采取光选态方案，较之前微波-光选态方案原子数理论上提高数倍，有效原子利用率达到100％。另外简洁的结构替代了之前选态腔的结构，缩短了间歇钟的死时间，缩短了钟周期，从而提高了钟短期稳定度。另外简化的物理系统，省去一个选态微波腔，有利于减重及空间应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种冷原子全光选态装置，是基于光抽运以及激光冷却原理一体化设计的真空腔体，特点在于：包括从上至下依次连接的真空法兰、光选态区、磁光阱和腔体基座；

所述的光选态区为立方体腔体，该立方体腔体的四周面分别设有窗口，外接光学接头，用于馈入Pump光和Repump光，立方体腔体的上下端面分别设有绕制有磁场线圈的槽口；

所述的磁光阱为十四面体腔体，由正方体沿着每条边的中线切割去掉八个顶角后在原正方体六个面剩余部分打孔掏穿而成，形成腔体。原正方体六个面分别设有窗口，外接冷却光组件。