基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.本发明通过以下技术方案实现的：
6.一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。
7.所述的原子馈入到原子俘获腔后，通过俘获腔上用于馈入的窗口所馈入的冷却光、泵浦光以及腔体外部所缠绕的外加线圈磁场，在腔内完成俘获冷却并向外抛出，直接通过原子探测区到达微波谐振腔，其中原子探测区及微波谐振腔处于外加磁屏蔽腔的真空腔中。向外抛出的原子团在俘获腔产生的移动光学粘胶的作用下完成动量交换从而实现原子团停在微波谐振腔内，实现选态，接着再次通过移动光学粘胶的作用，使原子团拥有了向右运动的速度，通过微波馈入窗口馈入的微波完成原子与微波第一次相互作用，原子在第一次离开微波谐振腔时，再次由于动量交换，使得原子获得向左运动的速度，从而使原子团第二次到达微波谐振腔完成微波与原子的第二次相互作用，作用结束后，原子团离开微波谐振腔，到达原子探测区，通过探测光入射窗口馈入的探测光与泵浦光与原子进行相互作用，同时通过荧光探测窗口进行上下能级的荧光收集。
8.所述的俘获腔上用于馈入的窗口用于各种光束的入射(包括冷却光、泵浦光等)、ccd的观测、铷源接口与离子泵接口等。
9.所述的原子运行的整个周期三次利用了移动光学黏胶来实现原子的动量交换，从而实现原子可以在一个微波腔中完成选态及两次与微波相互作用的过程。
10.所述的原子探测区采用双能级探测的方法，需要四束光，两束探测光、一束推射光及一束泵浦光：先是一束探测光对上能级的原子数进行探测，接着推射光将上能级原子推射掉，泵浦光用于将下能级原子泵浦到上能级，最后用另一束泵浦光对下能级进行探测。
11.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
12.1)可以吸收多个方向的光，光的利用率高，且冷却效率也高。
13.2)相较于场移式空间冷原子钟，在一定程度上缩小了体积的基础上，采用磁光阱的方法俘获原子，有效的固定了原子，可靠性大大增加；
14.3)将选态与微波相互作用的过程均放在了微波腔中，结构更加简单，更易于实施，且能够在一定程度上排除复杂系统所带来的一些不必要的噪声，这对空间钟的精准运行尤其重要。
15.4)区别于现有的选态腔与微波腔相互独立的装置，该装置选择原子的选态以及原子与微波相互作用均在微波腔内进行，原子到达微波腔之后，先进行选态，接着再与微波进行相互作用。
附图说明
16.图1为空间冷原子钟装置的结构框图。
17.图2为原子在空间冷原子钟装置中运行时序的示意图。
具体实施方式
18.下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在以本发明空间冷原子喷泉钟的方法的基础上进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。
19.实施例
20.请先参阅图1，图1是本发明基于原子喷泉的空间冷原子钟的装置结构框图。由图1可见，本发明空间冷原子系统装置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。其位置关系为原子馈入到原子俘获腔3后，通过俘获腔上用于馈入的窗口7所馈入的冷却光、泵浦光以及腔体外部所缠绕的外加线圈磁场2，在腔内完成俘获冷却并向外抛出，直接通过原子探测区4到达微波谐振腔5，其中原子探测区4及微波谐振腔5处于外加磁屏蔽腔6的真空腔1中。向外抛出的原子团在俘获腔3产生的移动光学粘胶的作用下完成动量交换从而实现原子团停在微波谐振腔5内，实现选态，接着再次通过移动光学粘胶的作用，使原子团拥有了向右运动的速度，通过微波馈入窗口10馈入的微波完成原子与微波第一次相互作用，原子在第一次离开微波谐振腔5时，再次由于动量交换，使得原子获得向左运动的速度，从而使原子团第二次到达微波谐振腔5完成微波与原子的第二次相互作用，作用结束后，原子团离开微波谐振腔5，到达原子探测区4，通过探测光入射窗口8馈入的探测光与泵浦光与原子进行相互作用，同时通过荧光探测窗口9进行上下能级的荧光收集。
21.本发明主要过程为参阅图2：
22.原子通过铷源馈入到俘获腔，但此时的原子处于离散的状态，通过三维磁光阱的作用，实现原子的束缚形成原子团并且将原子的温度冷却到多普勒冷却极限，接着通过光学粘胶的作用，实现亚多普勒冷却，最后通过后冷却将原子温度降低到实验要求范围(图2(1))；此时原子团获得抛出初速度,向右抛出(图2(2))，原子不断向前运动，第一次经过探测区(图2(3))，此时不发生相互作用，接着通过移动光学粘胶的作用停在微波腔(图2(4))，在微波腔中首先实现选态，接着由于右向光束的作用获得向右的速度并与微波进行第一次相互作用(图2(5))，作用结束后，原子团离开微波腔继续前进，由于反向力的作用，原子获得向左运行的速度(图2(6))，接着第二次进入微波腔，与微波进行第二次相互作用(图2(7))，结束后原子接着进入探测区，通过采用双能级探测的方法实现对原子的探测(图2(8))，从而获得原子的跃迁几率，进而完成一些物理过程的求解。
23.综上所述，本发明基于原子输运的空间冷原子钟的装置及方法，通过利用多重移动光学粘胶的方法实现原子的动量交换，从而实现原子完整的作用体系，得到可探测的原子跃迁几率。该发明简化了系统，增强了可靠性，具有很高的实用价值。

技术特征：
1.一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(1)和缠绕外加线圈磁场(2)的原子俘获腔(3)，在所述的真空腔(1)内设有原子探测区(4)和微波谐振腔(5)，在该真空腔(1)外设有磁屏蔽腔(6)，在所述的俘获腔(3)上设有多个用于馈入的窗口(7)，在所述的原子探测区(4)设有探测光入射窗口(8)和荧光探测窗口(9)，所述的微波谐振腔(5)上设有微波馈入窗口(10)；所述的原子馈入到原子俘获腔(3)后，通过俘获腔上用于馈入的窗口(7)所馈入的冷却光、泵浦光以及腔体外部所缠绕的外加线圈磁场(2)，在腔内完成俘获冷却并向外抛出，直接通过原子探测区(4)到达微波谐振腔(5)，其中原子探测区(4)及微波谐振腔(5)处于外加磁屏蔽腔(6)的真空腔(1)中；向外抛出的原子团在俘获腔(3)产生的移动光学粘胶的作用下完成动量交换从而实现原子团停在微波谐振腔(5)内，实现选态，接着再次通过移动光学粘胶的作用，使原子团拥有了向右运动的速度，通过微波馈入窗口(10)馈入的微波完成原子与微波第一次相互作用，原子在第一次离开微波谐振腔(5)时，再次由于动量交换，使得原子获得向左运动的速度，从而使原子团第二次到达微波谐振腔(5)完成微波与原子的第二次相互作用，作用结束后，原子团离开微波谐振腔(5)，到达原子探测区(4)，通过探测光入射窗口(8)馈入的探测光与泵浦光与原子进行相互作用，同时通过荧光探测窗口(9)进行上下能级的荧光收集。2.根据权利要求1所述的基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置，其特征在于，所述的俘获腔上用于馈入的窗口(7)用于各种光束的入射(包括冷却光、泵浦光等)、ccd的观测、铷源接口与离子泵接口。3.根据权利要求1所述的基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置，其特征在于，所述的原子运行的整个周期三次利用了移动光学黏胶来实现原子的动量交换，从而实现原子可以在一个微波腔中完成选态及两次与微波相互作用的过程。4.根据权利要求1所述的基于原子输运的小型空间冷原子钟的装置，其特征在于，所述的原子探测区(4)采用双能级探测的方法，需要四束光，两束探测光、一束推射光及一束泵浦光：先是一束探测光对上能级的原子数进行探测，接着推射光将上能级原子推射掉，泵浦光用于将下能级原子泵浦到上能级，最后用另一束泵浦光对下能级进行探测。

技术总结
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。性能指标高等优点。性能指标高等优点。


技术研发人员：魏荣 赵伟靖 姬清晨
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2021.11.10
技术公布日：2022/3/8