[发明专利]基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置

说明书

一种基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置，包括原子俘获腔、微波谐振腔及探测区三个组成部分。通过多个移动光学粘胶脉冲作用的方法，实现空间微重力下冷原子云的快速动量交换，使冷原子云在俘获区、作用区、探测区的10毫秒量级的快速转移，并且在完成转移后能够停留在目标区域。输运过程配合冷原子的制备‑微波作用‑探测时序实现原子钟的整个时序。本发明具有结构简单，体积较小，性能指标高等优点。

技术领域

本发明涉及空间冷原子钟领域，利用移动光学粘胶的作用实现冷原子云快速动量交换，在空间的相关领域有非常重要的作用。

背景技术

近些年，随着人类对空间的逐步探索，除了对星系的观察研究之外，对能够利用空间中的微重力环境的想法也在逐步提上日程，其中就包括进行一些科学实验，比如时间的校准。而校准时间的实现与空间钟的研制及应用存在着正向的关系，空间钟主要利用了与地球环境所不同的太空的微重力环境。在微重力环境条件下，原子团可以实现近乎于匀速的直线运动。并且与在地球的重力环境下的冷原子钟相比，微重力环境下的原子钟信号的精度更高，因为微重力环境下得到的拉姆西中心谱线线宽比地面冷原子喷泉钟谱线窄了接近一个数量级。而且空间冷原子钟可以对太空中对其他星载原子钟在无干扰的的前提下进行信号的传递，因此比在陆地上钟组得到的信号的更为精确。空间冷原子钟的成功研制无疑将为各种量子敏感器件(如空间高精度时频系统、空间冷原子物理系统、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等)的研制与应用奠定良好的技术基础，并且在测量引力波，重力场，一些基本物理常数以及全球卫星导航定位等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。

关于空间冷原子钟的研制，近些年也取得了比较大的进展，研发出了多种可实现的空间冷原子钟装置，其中就包括比较常见的积分球冷原子钟和场移空间冷原子钟，积分球冷原子钟的冷却是全光冷却，不需要磁光阱捕获冷原子时所需要的大磁场，因此功耗很低，也可以捕获更大速度范围内的原子，冷却效率比较高。但是它只能吸收一个方向的光，而我们知道光是在三维方向上进行传输的，因此该钟的光通量很低，对光的利用率也比较低；对于场移空间冷原子钟来说，场移空间冷原子钟体积小，重量轻，便于运输，但也正应如此，其固定原子的难度较大，不易实现。

发明内容

本发明为弥补现有空间冷原子钟的不足，提供了一种基于原子输运的空间冷原子钟的装置及方法。对于输运式空间冷原子钟来说，其与在地表运行的喷泉钟的最大不同之处是，地表原子钟是利用了重力的因素从而实现了原子的速度变化过程，而在太空中的微重力条件下，空间钟是通过光学办法来实现冷原子在不同功能区域的搬运与停留，从而完成原子钟时序。本发明采用了外加移动光学粘胶的方法实现原子的动量交换，利用在原子俘获区域存在的光束馈入窗口，我们多次利用了移动光学粘胶，使得原子多次实现动量交换。从而实现将选态过程及原子与微波相互作用过程均放在了微波腔中进行，该方法具有结构简单，体积较小，性能指标高等优点。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置，其特征在于，包括真空腔和缠绕外加线圈磁场的原子俘获腔，在所述的真空腔内设有原子探测区和微波谐振腔，在该真空腔外设有磁屏蔽腔，在所述的俘获腔上设有多个用于馈入的窗口，在所述的原子探测区设有探测光入射窗口和荧光探测窗口，所述的微波谐振腔上设有微波馈入窗口。