專利名稱：提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)高性能小型原子束光頻原子鐘的方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)型小型鈣原子束光頻標(biāo)準(zhǔn)的原理為鈣爐加熱溫度到700攝氏度，熱鈣原子束從鈣爐中噴射出來(lái)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后順次通過(guò)平行且等間隔的兩對(duì)貓眼裝置產(chǎn)生的657nm激光行波場(chǎng)。在Ramsey相互作用區(qū)加上適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)以分開(kāi)3P1態(tài)不同的磁子能級(jí)。鈣爐出來(lái)的1S0基態(tài)原子在Ramsey相互作用區(qū)受657nm的π偏振激光激發(fā)，凡被激發(fā)到3P1態(tài)mF＝0子能級(jí)的原子會(huì)通過(guò)自發(fā)輻射躍遷發(fā)出657nm熒光。在原子束流的下游，用光電檢測(cè)器來(lái)測(cè)量處于激發(fā)態(tài)的原子自發(fā)輻射躍遷發(fā)出的657nm熒光，傳統(tǒng)型小型鈣原子束光頻標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
迄今為止所有基于熱原子束技術(shù)的光頻原子鐘毫無(wú)例外地受限于很低的熒光信號(hào)的信噪比，從而無(wú)法提高穩(wěn)定性，最終也限制了可以達(dá)到的準(zhǔn)確度。鈣原子束光頻原子鐘目前所能達(dá)到的最好準(zhǔn)確度略比5071小銫鐘差，所以不能與5071小銫鐘競(jìng)爭(zhēng)。其根本原因在于所被利用來(lái)檢測(cè)的657nm鐘躍遷后原子自發(fā)輻射的機(jī)率很低，約一千個(gè)光子每秒，加上檢測(cè)的有限熒光收集面積，使得對(duì)原子的檢測(cè)效率低到僅是1％左右。如此之低的原子的檢測(cè)效率極大地限制了可以實(shí)現(xiàn)的原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服現(xiàn)有基于原子束技術(shù)的光頻原子鐘技術(shù)的不足，提供一種實(shí)現(xiàn)高性能小型原子束光頻原子鐘的方法及其設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容一種提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法，包括增加一與原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光作原子檢測(cè)；原子運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)與增加的激光作用后，每個(gè)原子發(fā)出成千上百個(gè)自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測(cè)。
利用變換能級(jí)檢測(cè)法，即利用原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光來(lái)作檢測(cè)，以鈣原子為實(shí)例是波長(zhǎng)為423nm的激光在檢測(cè)區(qū)激發(fā)鐘躍遷的1S0基態(tài)原子到原子單重態(tài)的第一激發(fā)態(tài)1P1，這個(gè)態(tài)的原子自發(fā)輻射的幾率很高，高到每個(gè)原子每秒輻射三千四百萬(wàn)個(gè)光子。從而保證每個(gè)需要檢測(cè)的原子100％可以被測(cè)量到。對(duì)鎂原子是利用285nm激光檢測(cè)。
利用與原子束方向呈夾角的檢測(cè)激光束在原子束型光頻原子鐘上進(jìn)行選擇一定速度群的原子檢測(cè)的檢測(cè)方案，提高信號(hào)條紋對(duì)比度以增加信噪比。
利用預(yù)先泵浦技術(shù)，先將原子泵浦到鐘躍遷的激發(fā)態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于原子受激電磁波發(fā)射過(guò)程的新型原子束型光頻原子鐘。
原子束流置于真空腔室內(nèi)。
原子束流是不同種類的原子、分子或離子。
一種高性能小型原子束光頻原子鐘，包括一真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有原子爐、原子束準(zhǔn)直器，泵浦激光器、與原子束垂直的由兩個(gè)全反鏡和兩個(gè)透鏡組成的貓眼光路，檢測(cè)激光，鐘激光，光電檢測(cè)裝置，伺服電路，配套的磁場(chǎng)線圈及其控制電路在作用區(qū)產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)分開(kāi)激發(fā)態(tài)的塞曼子能級(jí)。原子束從控溫后的原子爐噴出，準(zhǔn)直后，進(jìn)入作用區(qū)以單作用區(qū)或多作用區(qū)形式與鐘躍遷激光作用，此后，原子運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)與檢測(cè)激光作用后，每個(gè)原子發(fā)出成千上百個(gè)自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測(cè)，輸出誤差信號(hào)給從鐘躍遷激光從而可以鎖定鐘激光，實(shí)現(xiàn)光頻原子鐘。其中，檢測(cè)激光為與原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光。
配備的相應(yīng)伺服控制電路控制整個(gè)原子鐘系統(tǒng)的所有激光的輸出頻率。
真空腔體設(shè)有若干個(gè)光窗，用于激光的輸入和輸出。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明由于利用變換能級(jí)檢測(cè)法，將原來(lái)的原子檢測(cè)效率提高了很多。即利用原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光來(lái)作檢測(cè)，以鈣原子為實(shí)例是波長(zhǎng)為423nm的激光在檢測(cè)區(qū)激發(fā)鐘躍遷的1S0基態(tài)原子到原子單重態(tài)的第一激發(fā)態(tài)1P1，這個(gè)態(tài)的原子自發(fā)輻射的機(jī)率很高，高到每個(gè)原子每秒輻射三千四百萬(wàn)個(gè)光子。從而保證每個(gè)需要檢測(cè)的原子100％可以被測(cè)量到。其次，由于利用了與原子束方向呈夾角的檢測(cè)激光束在原子束型光頻原子鐘上進(jìn)行選擇一定速度群的原子檢測(cè)的檢測(cè)方案，提高信號(hào)條紋對(duì)比度從而增加了信噪比。第三，由于利用預(yù)先泵浦技術(shù)，先將原子泵浦到鐘躍遷的激發(fā)態(tài)，從而可以實(shí)現(xiàn)基于原子受激電磁波發(fā)射過(guò)程的新型原子束型光頻原子鐘。由于信噪比的極大提高，以此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的鈣束光頻原子鐘在穩(wěn)定度上將比5071小銫鐘好兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在準(zhǔn)確度上好一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，本發(fā)明與目前所有的原子束型光頻原子鐘相比，主要有以下三個(gè)特有的優(yōu)點(diǎn)一、將原來(lái)只有1％左右的原子檢測(cè)效率提高到約100％。
二、通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)激光頻率和線寬，或激光束的發(fā)散角，來(lái)選擇一定速度群的原子進(jìn)行檢測(cè)，從而可以準(zhǔn)確標(biāo)定與多普勒效應(yīng)相關(guān)的原子鐘鐘躍遷頻率的頻移。這提供了一種提高原子束型光頻原子鐘準(zhǔn)確度的技術(shù)。
三、可以實(shí)現(xiàn)基于原子受激電磁波發(fā)射過(guò)程的新型原子束型光頻原子鐘。
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
圖1為傳統(tǒng)的原子束型光頻標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為高性能小型原子束光頻原子鐘的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為與鈣原子光頻標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的能級(jí)示意圖；圖4為經(jīng)過(guò)泵浦區(qū)后不同速度原子在鐘躍遷能級(jí)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的布居機(jī)率示意圖。
1-原子爐；2-真空腔體；3-移頻器；4-鐘躍遷激光又簡(jiǎn)稱鐘激光(對(duì)鈣原子是657nm)；5-檢測(cè)激光(對(duì)鈣原子是423nm)；6-系統(tǒng)伺服電路；7-貓眼光路結(jié)構(gòu)透鏡一和透鏡二；8-粒子束；9-光電檢測(cè)器；10-光攔準(zhǔn)直器；11，12-全反鏡；13-泵浦激光束；14-鐘躍遷激光；15-擋光器。
具體實(shí)施例方式
下面以鈣原子為實(shí)施例進(jìn)行具體實(shí)施方式
的說(shuō)明，必須指出本發(fā)明不限于鈣原子，可以是其他原子或分子，如鎂原子。
鈣金屬小塊被放在爐鐘，被加溫到650攝氏度左右，鈣原子從小細(xì)管中噴射出來(lái)形成原子束，最可幾速度約800米每秒。先說(shuō)明沒(méi)有預(yù)先泵浦的結(jié)構(gòu)。
從爐中噴射出來(lái)形成鈣原子束處于基態(tài)，然后在作用區(qū)以單作用區(qū)或多作用區(qū)形式與鐘躍遷657nm激光作用，部分原子受激發(fā)到3P1態(tài)，這些被激發(fā)的原子離開(kāi)作用區(qū)后通過(guò)自發(fā)輻射的形式發(fā)射各向同性的熒光，但這種自發(fā)輻射率是400赫茲，或者說(shuō)在速度約800米每秒的原子在平均壽命期漂移約20厘米。傳統(tǒng)的方法是檢測(cè)這種657nm微弱熒光，信噪比很低。在本發(fā)明中，如圖1所示，在檢測(cè)區(qū)有一束423nm的激光激發(fā)基態(tài)原子到1P1態(tài)，被激發(fā)到1P1態(tài)的原子會(huì)在平均時(shí)間5納秒左右發(fā)射一個(gè)光子回到基態(tài)。這表示在2厘米的檢測(cè)區(qū)，每個(gè)基態(tài)的原子可以自發(fā)輻射五千個(gè)光子。從而保證在檢測(cè)區(qū)的光電檢測(cè)器可以檢測(cè)到任何經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)的基態(tài)原子。通過(guò)調(diào)制鐘躍遷657nm激光，被光電接受系統(tǒng)探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)由檢相器，濾波器和放大后其輸出誤差信號(hào)把鐘躍遷657nm激光鎖定在鈣原子的657nm躍遷譜上，而最終實(shí)現(xiàn)光頻鈣原子鐘。
接著要說(shuō)明的是有預(yù)先泵浦的結(jié)構(gòu)。從爐中噴射出來(lái)形成鈣原子束處于基態(tài)，在進(jìn)入作用區(qū)前先與一束657nm泵浦激光作用，調(diào)節(jié)此泵浦激光功率以滿足π脈沖躍遷，使得最可幾速度附近的原子被泵浦到3P1激發(fā)態(tài)。然后在作用區(qū)以單作用區(qū)或多作用區(qū)形式與鐘躍遷657nm激光作用，基于受激輻射過(guò)程部分原子受激后回到基態(tài)。這些被受激回到基態(tài)的原子離開(kāi)作用區(qū)后，如圖1所示，在檢測(cè)區(qū)被一束423nm的激光激發(fā)基態(tài)原子到1P1態(tài)，與前面以說(shuō)明的情形一樣，被激發(fā)到1P1態(tài)的原子會(huì)在平均時(shí)間5納秒左右發(fā)射一個(gè)光子回到基態(tài)，表示在2厘米的檢測(cè)區(qū)，每個(gè)基態(tài)的原子可以自發(fā)輻射五千個(gè)光子。從而保證在檢測(cè)區(qū)的光電檢測(cè)器可以檢測(cè)到任何經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)的基態(tài)原子。通過(guò)調(diào)制鐘躍遷657nm激光，被光電接受系統(tǒng)探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)由檢相器，濾波器和放大后其輸出誤差信號(hào)把鐘躍遷657nm激光鎖定在鈣原子的657nm躍遷譜上，而最終實(shí)現(xiàn)光頻鈣原子鐘。
簡(jiǎn)言之，有無(wú)預(yù)先泵浦的結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是在作用區(qū)是原子受激吸收與受激發(fā)射的區(qū)別。
如圖2所示，在利用與原子束方向呈夾角的檢測(cè)激光束在原子束型光頻原子鐘上進(jìn)行選擇一定速度群的原子檢測(cè)的檢測(cè)方案時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)激光的頻率和線寬，或激光束的發(fā)散角，來(lái)選擇一定速度群的原子進(jìn)行檢測(cè)，從而可以準(zhǔn)確標(biāo)定與多普勒效應(yīng)相關(guān)的原子鐘鐘躍遷頻率的頻移。在這提供了一種提高原子束型光頻原子鐘準(zhǔn)確度的技術(shù)。原子束方向與檢測(cè)激光束之間夾角的大小可以按具體所需進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳的原子鐘性能。
對(duì)于粒子束流可以通過(guò)機(jī)械狹縫或小光攔以及利用激光冷卻技術(shù)減小束流介質(zhì)的橫向速度分布來(lái)減小多普勒效應(yīng)引起的譜線加寬和移動(dòng)。
通過(guò)調(diào)節(jié)外加電磁場(chǎng)的均勻性來(lái)減小環(huán)境電磁場(chǎng)不均勻和波動(dòng)引起的譜線加寬和移動(dòng)。原子束流強(qiáng)度由爐體溫度控制決定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)粒子束流強(qiáng)度來(lái)調(diào)接信噪比。
檢測(cè)激光鎖在原子束的熒光譜上。這種在泵浦激光束之前的激光器5的熒光譜結(jié)構(gòu)不會(huì)影響鐘的任何性能。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的高性能小型原子束光頻原子鐘的結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖2，下面進(jìn)行描述發(fā)明主要包括由離子泵維持著高真空的真空腔體2，原子爐1，準(zhǔn)直縫10，泵浦激光13，激光全反鏡11、12，控制電路6。真空腔體的適當(dāng)位置開(kāi)有必要的光窗一便激光束5，13，14通過(guò)。原子束8由原子爐1加熱后產(chǎn)生。加熱絲的電流和原子爐1的溫度由控制電路6所調(diào)節(jié)。鐘激光由激光器4產(chǎn)生，3是移頻器。7是透鏡。檢測(cè)器9的信號(hào)輸出后來(lái)控制鐘激光器4。15為擋光器。
該發(fā)明需在高真空腔體2中實(shí)現(xiàn)。真空腔體中的高真空度長(zhǎng)期要求由其相連的離子泵來(lái)維持。真空腔體2的適當(dāng)位置開(kāi)有所需要的光窗，以便激光偶合時(shí)輸出輸入真空腔體2。也可在真空腔體內(nèi)部裝置光纖，由光纖偶合輸出激光。
在高真空腔體有能夠產(chǎn)生原子束的原子爐1。原子爐的溫度決定于所用的原子，所需的原子流量等因素。
在真空腔體2內(nèi)部與原子束8方向垂直的交叉位置放置由全反鏡11和12，以及透鏡7構(gòu)成的貓眼光路系統(tǒng)，并由相應(yīng)的精細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)械裝置來(lái)調(diào)節(jié)。
高性能小型原子束光頻原子鐘的結(jié)構(gòu)各部件的連接關(guān)系，功能作用，和必要要求條件高真空腔體2及其相連的離子泵是用來(lái)保證圖1所示的整個(gè)高性能小型原子束光頻原子鐘能長(zhǎng)期工作于高真狀態(tài)，真空度優(yōu)于10-6乇。
真空管的長(zhǎng)度可小于50厘米。離子泵的體積小于一升?？傊?，以真空管體積與離子泵的抽速的協(xié)調(diào)來(lái)滿足真空度優(yōu)于10-6乇的要求。
由原子爐1的爐體溫度和爐口孔的面積來(lái)決定我們可利用的原子束的流量，即單位時(shí)間有多少原子可供利用。爐孔由長(zhǎng)細(xì)管構(gòu)成。長(zhǎng)細(xì)管管長(zhǎng)0.5至2厘米，管徑0.1至0.5毫米，具體據(jù)原子束的流量與發(fā)散角等要求而定。為了加大流量而不至于同時(shí)加大發(fā)散角，可由長(zhǎng)細(xì)管陣列組成爐孔。
原子束從高溫的原子爐經(jīng)由爐孔噴出來(lái)后，進(jìn)一步準(zhǔn)直，可用小孔光攔10。也可利用激光冷卻原理對(duì)原子束的橫向發(fā)散進(jìn)行激光準(zhǔn)直。
參考圖3，準(zhǔn)直后原子束接著進(jìn)入泵浦區(qū)與泵浦光13作用。泵浦光13的功能是將處于基態(tài)的原子泵浦到激發(fā)態(tài)。激發(fā)后基態(tài)和激發(fā)態(tài)原子速度分布如圖4所示，即有77％的原子被泵浦到激發(fā)態(tài)。
泵浦光13的光源可用腔穩(wěn)的半導(dǎo)體激光器來(lái)提供。泵浦光13的頻率是鎖定在需要的原子譜特定值上，由電路6實(shí)現(xiàn)。
最后，對(duì)于這種高性能小型原子束光頻原子鐘可能作出并未脫離所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明范圍的各種變更和改型。更具體地說(shuō)，必須認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明并不限于具體一種原子的一條躍遷譜線，而適用于任何具有相似能級(jí)結(jié)構(gòu)的原子或分子，以及離子，只要這種粒子具有線寬較小可以用于光頻原子鐘，有相關(guān)的對(duì)應(yīng)能級(jí)可以用本發(fā)明中的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高效率的檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法，包括增加一與原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光作原子檢測(cè)；原子運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)與增加的激光作用后，每個(gè)原子發(fā)出成千上百個(gè)自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法，其特征在于增加的檢測(cè)激光束與原子鐘的原子束呈夾角，調(diào)節(jié)檢測(cè)激光的頻率和線寬，或激光束的發(fā)散角，可選擇一定速度群的原子進(jìn)行檢測(cè)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法，其特征在于原子束流是不同種類的原子，分子或離子。
4.一種高性能小型原子束光頻原子鐘，包括一真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有原子爐、泵浦激光器、與原子束垂直的由兩個(gè)全反鏡和兩個(gè)透鏡組成的貓眼光路，檢測(cè)激光，鐘激光，光電檢測(cè)裝置，伺服電路，原子束從原子爐噴出，準(zhǔn)直后，進(jìn)入泵浦區(qū)與泵浦光作用，然后以單作用區(qū)或多作用區(qū)形式與鐘躍遷激光作用，此后，原子運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)與檢測(cè)激光作用后，原子發(fā)射大量熒光被光電接受系統(tǒng)探測(cè)，其特征在于檢測(cè)激光為與原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光。
5.如權(quán)利要求4所述的高性能小型原子束光頻原子鐘，其特征在于伺服電路系統(tǒng)控制原子鐘輸出頻率的性能。
6.如權(quán)利要求4所述的高性能小型原子束光頻原子鐘，其特征在于檢測(cè)激光和鐘激光器配備頻率自動(dòng)控制電路。
7.如權(quán)利要求4所述的高性能小型原子束光頻原子鐘，其特征在于真空腔體內(nèi)設(shè)有小孔光攔，用于準(zhǔn)直原子束。
8.如權(quán)利要求4所述的高性能小型原子束光頻原子鐘，其特征在于真空腔體設(shè)有若干個(gè)光窗，用于激光的輸入和輸出。
9.如權(quán)利要求4所述的提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法，，其特征在于真空腔室內(nèi)的真空度大于10-6乇。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法及設(shè)備，屬于光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括增加一與原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光作原子檢測(cè)；原子運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)與增加的激光作用后，每個(gè)原子發(fā)出成千上百個(gè)自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測(cè)。由于利用變換能級(jí)檢測(cè)法，即利用原子鐘躍遷能級(jí)相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)躍遷線對(duì)應(yīng)的激光來(lái)作檢測(cè)，將原來(lái)的原子檢測(cè)效率提高了很多，從而保證每個(gè)需要檢測(cè)的原子可以被測(cè)量到。
文檔編號(hào)G04F5/00GK1786853SQ20051013074
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者陳景標(biāo) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)