[发明专利]一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法

说明书

本发明公开一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，金字塔磁光阱包括金字塔反射镜，分别设于金字塔反射镜的上下两侧的一对反向亥姆霍兹线圈，设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈的下侧的四分之一波片，和从上而下依次设于四分之一波片的下侧的凸透镜和光纤；微波腔系统设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈与四分之一波片之间，微波腔系统包括微波谐振腔，和分别连接于微波谐振腔的上下两侧的第一截止波导和第二截止波导；超高真空保持系统包括通过真空导管与金字塔磁光阱和微波腔系统连通的离子泵；原子源设于金字塔反射镜的背面附近。本发明采用金字塔磁光阱，简化了光路，具有更简单的光路、几何结构和更小的体积。

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法。

背景技术

无论是地面上还是全球定位卫星系统上的现代守时系统都非常依赖原子钟。传统的原子钟采用热原子为工作物质，其准确度和稳定度受到原子热运动的影响而难以进一步提升，目前已经接近理论极限，例如目前商品铯束钟的最好性能长期稳定度还在10^-14量级，准确度在5×10^-13。

利用激光冷却技术可以将原子的温度冷却至接近绝对零度，减小了原子的运动速度，提高了原子与微波的Ramsey相互作用时间，大幅提升原子钟的性能。

1989年，斯坦福大学的Chu研究组首次在实验上演示了基于激光冷却的方式形成的冷原子Na喷泉[Kasevich A M et al.,1989,Phys.Rev.Lett.63 612]，随后冷原子喷泉钟发展进入了一个新的时代。原子被冷却后利用抛物运动，与同一微波场作用两次，实现Ramsey型干涉，通过探测干涉后的跃迁概率的变化得到微波场的频率期望值的误差，以此锁定微波源。由于低速的冷原子可以与微波场有更长的相互作用实现，极大的压窄了Ramsey花样的线宽，从而拥有更高的频率准确度。基于冷原子的喷泉钟取得了前所未有的成就，成为现在的时间基准，频率准确度达到10^-16量级。

尽管冷原子具有环境隔离、能够大幅提升测量精度等多方面的优势，但是原子的激光冷却装置及其配套光学系统往往体积庞大，难以实现小型化和实用化。目前基于冷原子的喷泉钟只能在实验室下作为秒定义，难以搬运和长期运行。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置及其工作方法。使用金字塔磁光阱对原子进行俘获和冷却，在偏振梯度冷却过程中通过改变冷却光和再泵浦光的开闭时序实现原子的选态，选态后的冷原子在重力作用进入圆柱形微波谐振腔与微波相互作用，最后进入探测器进行探测。本发明可以使得冷原子钟的物理系统更加紧凑，可以大幅减小体积，具有实用性，相比于传统的铯束钟，性能提高一个数量级，可以预见，该冷原子钟装置可以替代铯束钟，实现更高精度的时间频率，具有广阔的应用前景。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于金字塔磁光阱下落式冷原子钟装置，包括金字塔磁光阱、微波腔系统、超高真空保持系统和原子源；

所述金字塔磁光阱包括金字塔反射镜，分别设于金字塔反射镜的上下两侧的一对反向亥姆霍兹线圈，设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈的下侧的四分之一波片，和从上而下依次设于四分之一波片的下侧的凸透镜和光纤；

所述微波腔系统设于位于下侧的反向亥姆霍兹线圈与四分之一波片之间，微波腔系统包括微波谐振腔，和分别连接于微波谐振腔的上下两侧的第一截止波导和第二截止波导；

所述超高真空保持系统包括通过真空导管与金字塔磁光阱和微波腔系统连通的离子泵；

所述原子源设于金字塔反射镜的背面附近。

冷却光和再泵浦光通过光纤耦合形成线偏光后经过凸透镜扩束和四分之一波片后形成圆偏振宽束激光，经金字塔反射镜的精密反射后在阱区形成与6束正交激光形式相似的光束形态用于原子的冷却。