[发明专利]腔内冷却式原子钟

说明书

一种腔内冷却式原子钟，包括高真空维持系统、微波谐振腔、磁屏蔽桶和二维磁光阱，本发明可以快速在微波腔内装载冷原子，通过控制微波开关、激光时序等对原子进行俘获、冷却、选态、探寻、探测等操控，实现高精度原子钟。本发明具有结构紧凑，抗环境干扰能力强，利用二维磁光阱快速装载原子极大减少原子钟的死时间，降低碰撞频移以及微波腔相移等优点，可以大幅提高钟跃迁信号的信噪比与频率稳定度。

技术领域

本发明涉及冷原子钟，特别是一种腔内冷却式原子钟。

背景技术

高精度冷原子钟在卫星导航定位，网络同步，基本物理常数测量，广义相对论验证等方面都有极其重要的应用。

21世纪原子喷泉钟的发明使原子钟进入了一个新的时代。原子被冷却后向上抛射，受重力影响自由落体，在上抛和下落过程中分别经过同一个圆柱型微波腔，两次与微波腔内微波场相互作用。低速的冷原子可以与微波场有较长的相互作用时间从而导致较窄的共振线宽，从而拥有更高的频率准确度。如今铯原子喷泉钟是时间标准，频率准确度达到10^-16量级。

另一方面，在空间环境中，重力的影响几乎为0，原子团可以匀速经过微波场，在慢速抛射的情况下可以获得极长的相互作用时间从而获得更窄的共振线宽，有潜力得到比地面喷泉钟更高的准确度。由于没有重力影响，物理系统需要采用环形微波腔结构，冷原子团匀速顺序通过两个分离的微波场，这样会导致在地面运行设备时无法获得喷泉钟那么窄的共振线宽。

此外，还有一种使用漫反射激光冷却和分离振荡场的小型化积分球冷原子钟。其特点在原子冷却和微波作用在同一区域，原子在同一微波腔内由时序控制两次经历微波作用，优点是可以将物理系统的体积做得非常小。

限制上述原子钟稳定度的主要因素有Dick效应和量子投影噪声。为了降低Dick效应和量子投影噪声，我们希望冷原子钟在相同Ramsey线宽条件下运行时有较短的钟周期和死时间。同时在地面和空间环境中均能够获得很窄的Ramsey线宽。

发明内容

本发明提供一种腔内冷却式原子钟，使用二维磁光阱对铷原子进行俘获，并在一个圆柱型微波腔中对原子进行冷却、选态，相互作用以及探测。该腔内冷却式原子钟可以使空间冷原子钟物理系统结构更加紧凑，极大减少原子作用过程中死时间以及碰撞频移，提高原子钟的性能。并且可以应用于空间领域，更能体现出微重力的环境优势。

本发明的技术解决方案如下：