[实用新型]相干微波辐射冷原子钟

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种原子钟领域，更具体涉及一种相干微波辐射冷原子钟，以长条形磁光阱中的厚光学厚度的冷原子为工作物质，在微波腔和经过微波调制的激光边带作用下，利用相干布居数囚禁的吸收探测信号和相干微波辐射的微波功率接受信号同步锁定垂直腔面发射半导体激光器和压控晶体振荡器，适用于守时、授时、测距、导航、定位、通信时间同步等领域。

背景技术

在过去的50年，原子频率标准有了长足的进展。主动型氢原子钟的稳定性在10^-16量级，铯原子喷泉钟的准确度优于1×10^-15。从实用的角度考虑，小型化的稳定的频率标准有着更广泛的应用，比如铯束钟和光泵铷钟。传统的原子钟利用氢原子或者碱金属原子的两个基态间的跃迁作为原子的共振跃迁频率参考，通常用磁共振技术来探测，用磁场空间分离或者光泵作用实现原子态的制备，以增强共振探测信号。氢原子或碱金属原子作为原子共振频率基准，其两个基态超精细能级之间的跃迁频率在微波范围内，可以通过传统的磁共振技术来探测，其实现方式的共同属性是态选择的使用，要么通过磁空间偏移，要么通过光泵浦作用，在态制备后的原子系综中，共振探测信号得到增强。近年来，随着激光冷却技术的发展，实现原子钟的新的物理机制也在探索中，比如，相干布居数囚禁钟，光学频率标准(光钟)。以冷原子作为工作介质的冷原子钟已经提上日程，它有效的减小了物理信号的多普勒效应，其准确度和稳定性优于以热原子作为工作介质的同类原子钟，

在研究激光与原子的相互作用时，激光诱导的原子相干和量子干涉现象值得关注，G.Orriols等在1976年用双模激光器在钠(Na)原子的精细结构中观察到原子相干效应。在一个Λ型三能级原子(两个基态，一个激发态，只有基态和激发态之间存在两个偶极跃迁)与两个激光场作用时，如果光场与原子的耦合满足双光子共振条件，原子的布居数将被囚禁在两个基态的叠加态上，这个态被称为暗态，处于暗态的原子不与光场相互作用，不再吸收光子跃迁到激发态。碱金属原子中的相干布居数囚禁为实现原子钟提供了一种有效的方法。可以用不同的方法观测到该现象，在光泵浦系综的荧光光谱中能观测到一条狭窄的“黑”线，在吸收探测中，满足双光子共振时系统不吸收能量而成为透明的。因此，这种现象在荧光辐射中表现为黑线(一般称为暗线)，在传播辐射场中表现为共振传输的增强(常常称为亮线)，这个共振现象反映了碱金属原子基态超精细共振的所有性质，可用于实现原子频率标准，类似于使用微波-光泵浦双共振实现原子钟的传统方法。Thomas等人第一次成功实现了该现象的类似应用，在这些实验中，仅仅使用无微波腔的Ramsey光束，将基于钠原子束的该现象用于实现一种Ramsey型的分离振荡场的相互作用区域。在上世纪九十年代中期，开始了将囚禁单元相干布居数现象用于实现小型原子频标的应用的尝试。在通常的情况下，热原子玻璃泡的光学厚度受到缓冲气体压力和碱金属原子密度的控制，前者加宽吸收谱线宽度，后者影响光学吸收。在实践中，操作温度要使得系综成为光学厚度的介质(Rb：T>50℃，Cs：T>40℃)，并且要求更加精心的设计。但是在冷原子系综中，原子的光学厚度由原子的密度和温度决定，用圆偏振光将原子基态和激发态联系在一起，基态m_F＝0→m_F′＝0跃迁是理想选择，以减小磁场对原子钟准确度的影响。

迄今为止，原子钟的实现，包括主动的或被动的，光束形式的或含有缓冲气体封闭单元形式的，也包括了冷原子介质的，热原子加缓冲气体的，但是指标都不是很高。在原子钟的小型化方面，基于相干布居数囚禁原理的室温泡原子钟的产品已经问世，美国Kernco公司生产的常温相干布居数囚禁钟受到原子谱线多普勒加宽的限制，原子谱线的线宽不够理想，其稳定性都偏低，一般为10^-11到10^-12。在中国，已经申请的相干布居数囚禁冷原子钟是采用传统的磁光阱作为冷原子介质，高频的声光调制器产生相干布居数囚禁光的耦合光和探测光，用探测光的相干布居数囚禁信号对压控晶体振荡器的锁定，该系统是利用传统的电磁诱导透明的方法实现相干布居数囚禁冷原子钟。其优点是利用冷原子相干布居数囚禁信号锁定压控晶体振荡器来实现原子钟，但是在实现高指标的原子钟方面还存在着缺陷，其原因是光与原子相互作用的时间较短，渡越时间较短不利于减小相干布居数囚禁信号的半高宽，用于相干布居数囚禁的窄线宽半导体激光器的频率没有锁定，其准确度和稳定性不高，也不利于原子钟的小型化。