[发明专利]一种超长自由演化时间冷原子频标装置及方法

说明书

本发明公开一种超长自由演化时间冷原子频标装置及方法，涉及冷原子频标技术领域，以解决现有方式冷原子自由演化时间有限，限制冷原子频标稳定度指标差的问题。其中装置包括：冷原子制备装置制备具有竖直向上速度的高能态冷原子；冷原子跃迁组件将所述高能态冷原子跃迁为低能态冷原子，为所述低能态冷原子提供微波脉冲；光晶格组件对所述低能态冷原子进行囚禁，限制所述低能态冷原子的空间位移和扩散，直至所述低能态冷原子上升速度变为零；冷原子跃迁组件对自由下落进入的冷原子进行二次微波脉冲；信号收集器对制备的高能态冷原子的能态分布进行采集；对自由下落穿过所述冷原子跃迁组件的冷原子包含的微波频率信号进行采集。

技术领域

本发明涉及冷原子频标技术领域，尤其涉及一种超长自由演化时间冷原子频标装置及方法。

背景技术

冷原子频标主要是利用冷原子与微波之间的分离振荡场相互作用产生鉴频曲线，从而使本地振荡器输出高稳定度和高准确度的频率信号。该鉴频曲线中心条纹的线宽与冷原子的自由演化时间成反比，同时本地振荡器的输出频率的稳定度与中心条纹线宽成反比，即本地振荡器的输出频率的稳定度与冷原子的自由演化时间成正比。因此自由演化时间作为冷原子频标的重要物理量，从根本上决定着冷原子频率的稳定度指标。目前通过增大自由演化时间来有效提高冷原子频率的稳定度是冷原子频标发展的重要手段之一。

现有增大冷原子自由演化时间方案，由于冷原子团扩散，相干性会随时间逐渐减弱，进入消相干状态。因此将导致冷原子自由演化时间有限，限制了冷原子频标稳定度指标的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超长自由演化时间冷原子频标装置及方法，用于延长冷原子自由演化时间有限，提高冷原子频标稳定度指标。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供一种超长自由演化时间冷原子频标装置，包括：设置在真空腔内的冷原子制备装置、冷原子跃迁组件、信号收集器以及光晶格组件；

所述冷原子制备装置，用于制备具有竖直向上速度的高能态冷原子；

所述冷原子跃迁组件，用于将所述高能态冷原子跃迁为低能态冷原子，为所述低能态冷原子提供微波脉冲；

所述光晶格组件，用于对所述低能态冷原子进行囚禁，限制所述低能态冷原子的空间位移和扩散，直至所述低能态冷原子上升速度变为零，自由下落；

所述冷原子跃迁组件，对自由下落进入的冷原子进行二次微波脉冲；

所述信号收集器，用于对向上进入所述冷原子跃迁组件的冷原子的能态分布进行采集；还用于对自由下落穿过所述冷原子跃迁组件的冷原子包含的微波频率信号进行采集。

与现有技术相比，本发明提供的超长自由演化时间冷原子频标装置，可以在周期性时序运行过程中，通过光晶格重复囚禁冷原子，实现重复的冷原子与微波的分离振荡场作用，进而产生钟信号对本地振荡器的输出频率进行锁定。利用的光晶格囚禁技术，有效地将冷原子囚禁在光晶格中，有效地限制了其热扩散过程，实现了增大冷原子自由演化时间的目标。获取的鉴频曲线中心条纹将具有超窄线宽特性，通过闭环锁定可使整钟最终输出一个超高频率稳定度和准确度的频率信号。上述装置不仅可降低冷原子团的扩散效应，解决了现有技术中所存在的自由演化时间短、鉴频曲线中心条纹线宽大等问题，而且装置结构简单、易实现，可降低整钟物理系统体积和重量，且材料和加工成本低，同时方法合理。

本发明还提供一种超长自由演化时间冷原子频标方法，包括：

制备具有竖直向上速度的高能态冷原子；

对所述高能态冷原子的能态分布进行采集；

将所述高能态冷原子跃迁为低能态冷原子，为所述低能态冷原子提供微波脉冲；