專利名稱：提高小型原子束光頻原子鐘性能的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光頻段頻率標準技術領域，具體涉及一種實現(xiàn)高性能小型原子束光頻原子鐘的方法及其設備。
背景技術：
傳統(tǒng)型小型鈣原子束光頻標準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，經(jīng)過準直后順次通過平行且等間隔的兩對貓眼裝置產生的657nm激光行波場。在Ramsey相互作用區(qū)加上適當?shù)拇艌鲆苑珠_3P1態(tài)不同的磁子能級。鈣爐出來的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子能級的原子會通過自發(fā)輻射躍遷發(fā)出657nm熒光。在原子束流的下游，用光電檢測器來測量處于激發(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準的結構如圖1所示。
迄今為止所有基于熱原子束技術的光頻原子鐘毫無例外地受限于很低的熒光信號的信噪比，從而無法提高穩(wěn)定性，最終也限制了可以達到的準確度。鈣原子束光頻原子鐘目前所能達到的最好準確度略比5071小銫鐘差，所以不能與5071小銫鐘競爭。其根本原因在于所被利用來檢測的657nm鐘躍遷后原子自發(fā)輻射的機率很低，約一千個光子每秒，加上檢測的有限熒光收集面積，使得對原子的檢測效率低到僅是1％左右。如此之低的原子的檢測效率極大地限制了可以實現(xiàn)的原子鐘的準確度和穩(wěn)定度。

發(fā)明內容
本發(fā)明克服現(xiàn)有基于原子束技術的光頻原子鐘技術的不足，提供一種實現(xiàn)高性能小型原子束光頻原子鐘的方法及其設備。
本發(fā)明的技術內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相關的一個強躍遷線對應的激光作原子檢測；原子運動到檢測區(qū)與增加的激光作用后，每個原子發(fā)出成千上百個自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測。
利用變換能級檢測法，即利用原子鐘躍遷能級相關的一個強躍遷線對應的激光來作檢測，以鈣原子為實例是波長為423nm的激光在檢測區(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，這個態(tài)的原子自發(fā)輻射的幾率很高，高到每個原子每秒輻射三千四百萬個光子。從而保證每個需要檢測的原子100％可以被測量到。對鎂原子是利用285nm激光檢測。
利用與原子束方向呈夾角的檢測激光束在原子束型光頻原子鐘上進行選擇一定速度群的原子檢測的檢測方案，提高信號條紋對比度以增加信噪比。
利用預先泵浦技術，先將原子泵浦到鐘躍遷的激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)基于原子受激電磁波發(fā)射過程的新型原子束型光頻原子鐘。
原子束流置于真空腔室內。
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，真空腔體內設有原子爐、原子束準直器，泵浦激光器、與原子束垂直的由兩個全反鏡和兩個透鏡組成的貓眼光路，檢測激光，鐘激光，光電檢測裝置，伺服電路，配套的磁場線圈及其控制電路在作用區(qū)產生磁場來分開激發(fā)態(tài)的塞曼子能級。原子束從控溫后的原子爐噴出，準直后，進入作用區(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，原子運動到檢測區(qū)與檢測激光作用后，每個原子發(fā)出成千上百個自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測，輸出誤差信號給從鐘躍遷激光從而可以鎖定鐘激光，實現(xiàn)光頻原子鐘。其中，檢測激光為與原子鐘躍遷能級相關的一個強躍遷線對應的激光。
配備的相應伺服控制電路控制整個原子鐘系統(tǒng)的所有激光的輸出頻率。
真空腔體設有若干個光窗，用于激光的輸入和輸出。
本發(fā)明的技術效果本發(fā)明由于利用變換能級檢測法，將原來的原子檢測效率提高了很多。即利用原子鐘躍遷能級相關的一個強躍遷線對應的激光來作檢測，以鈣原子為實例是波長為423nm的激光在檢測區(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，這個態(tài)的原子自發(fā)輻射的機率很高，高到每個原子每秒輻射三千四百萬個光子。從而保證每個需要檢測的原子100％可以被測量到。其次，由于利用了與原子束方向呈夾角的檢測激光束在原子束型光頻原子鐘上進行選擇一定速度群的原子檢測的檢測方案，提高信號條紋對比度從而增加了信噪比。第三，由于利用預先泵浦技術，先將原子泵浦到鐘躍遷的激發(fā)態(tài)，從而可以實現(xiàn)基于原子受激電磁波發(fā)射過程的新型原子束型光頻原子鐘。由于信噪比的極大提高，以此技術實現(xiàn)的鈣束光頻原子鐘在穩(wěn)定度上將比5071小銫鐘好兩個數(shù)量級，在準確度上好一個數(shù)量級。因此，本發(fā)明與目前所有的原子束型光頻原子鐘相比，主要有以下三個特有的優(yōu)點一、將原來只有1％左右的原子檢測效率提高到約100％。
二、通過調節(jié)檢測激光頻率和線寬，或激光束的發(fā)散角，來選擇一定速度群的原子進行檢測，從而可以準確標定與多普勒效應相關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確度的技術。
三、可以實現(xiàn)基于原子受激電磁波發(fā)射過程的新型原子束型光頻原子鐘。


下面結合附圖，對本發(fā)明做出詳細描述。
圖1為傳統(tǒng)的原子束型光頻標準結構示意圖；圖2為高性能小型原子束光頻原子鐘的結構示意圖；圖3為與鈣原子光頻標準相關的能級示意圖；圖4為經(jīng)過泵浦區(qū)后不同速度原子在鐘躍遷能級的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的布居機率示意圖。
1-原子爐；2-真空腔體；3-移頻器；4-鐘躍遷激光又簡稱鐘激光(對鈣原子是657nm)；5-檢測激光(對鈣原子是423nm)；6-系統(tǒng)伺服電路；7-貓眼光路結構透鏡一和透鏡二；8-粒子束；9-光電檢測器；10-光攔準直器；11，12-全反鏡；13-泵浦激光束；14-鐘躍遷激光；15-擋光器。
具體實施例方式
下面以鈣原子為實施例進行具體實施方式
的說明，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，鈣原子從小細管中噴射出來形成原子束，最可幾速度約800米每秒。先說明沒有預先泵浦的結構。
從爐中噴射出來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)的原子離開作用區(qū)后通過自發(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)的原子會在平均時間5納秒左右發(fā)射一個光子回到基態(tài)。這表示在2厘米的檢測區(qū)，每個基態(tài)的原子可以自發(fā)輻射五千個光子。從而保證在檢測區(qū)的光電檢測器可以檢測到任何經(jīng)過檢測區(qū)的基態(tài)原子。通過調制鐘躍遷657nm激光，被光電接受系統(tǒng)探測到的信號經(jīng)由檢相器，濾波器和放大后其輸出誤差信號把鐘躍遷657nm激光鎖定在鈣原子的657nm躍遷譜上，而最終實現(xiàn)光頻鈣原子鐘。
接著要說明的是有預先泵浦的結構。從爐中噴射出來形成鈣原子束處于基態(tài)，在進入作用區(qū)前先與一束657nm泵浦激光作用，調節(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)的原子離開作用區(qū)后，如圖1所示，在檢測區(qū)被一束423nm的激光激發(fā)基態(tài)原子到1P1態(tài)，與前面以說明的情形一樣，被激發(fā)到1P1態(tài)的原子會在平均時間5納秒左右發(fā)射一個光子回到基態(tài)，表示在2厘米的檢測區(qū)，每個基態(tài)的原子可以自發(fā)輻射五千個光子。從而保證在檢測區(qū)的光電檢測器可以檢測到任何經(jīng)過檢測區(qū)的基態(tài)原子。通過調制鐘躍遷657nm激光，被光電接受系統(tǒng)探測到的信號經(jīng)由檢相器，濾波器和放大后其輸出誤差信號把鐘躍遷657nm激光鎖定在鈣原子的657nm躍遷譜上，而最終實現(xiàn)光頻鈣原子鐘。
簡言之，有無預先泵浦的結構的主要區(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激光束在原子束型光頻原子鐘上進行選擇一定速度群的原子檢測的檢測方案時，通過調節(jié)檢測激光的頻率和線寬，或激光束的發(fā)散角，來選擇一定速度群的原子進行檢測，從而可以準確標定與多普勒效應相關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確度的技術。原子束方向與檢測激光束之間夾角的大小可以按具體所需進行適當?shù)恼{節(jié)，以達到最佳的原子鐘性能。
對于粒子束流可以通過機械狹縫或小光攔以及利用激光冷卻技術減小束流介質的橫向速度分布來減小多普勒效應引起的譜線加寬和移動。
通過調節(jié)外加電磁場的均勻性來減小環(huán)境電磁場不均勻和波動引起的譜線加寬和移動。原子束流強度由爐體溫度控制決定，可以通過調節(jié)粒子束流強度來調接信噪比。
檢測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的熒光譜結構不會影響鐘的任何性能。
本發(fā)明實現(xiàn)的高性能小型原子束光頻原子鐘的結構，參見圖2，下面進行描述發(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。真空腔體的適當位置開有必要的光窗一便激光束5，13，14通過。原子束8由原子爐1加熱后產生。加熱絲的電流和原子爐1的溫度由控制電路6所調節(jié)。鐘激光由激光器4產生，3是移頻器。7是透鏡。檢測器9的信號輸出后來控制鐘激光器4。15為擋光器。
該發(fā)明需在高真空腔體2中實現(xiàn)。真空腔體中的高真空度長期要求由其相連的離子泵來維持。真空腔體2的適當位置開有所需要的光窗，以便激光偶合時輸出輸入真空腔體2。也可在真空腔體內部裝置光纖，由光纖偶合輸出激光。
在高真空腔體有能夠產生原子束的原子爐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構成的貓眼光路系統(tǒng)，并由相應的精細調節(jié)機械裝置來調節(jié)。
高性能小型原子束光頻原子鐘的結構各部件的連接關系，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保證圖1所示的整個高性能小型原子束光頻原子鐘能長期工作于高真狀態(tài)，真空度優(yōu)于10-6乇。
真空管的長度可小于50厘米。離子泵的體積小于一升?？傊哉婵展荏w積與離子泵的抽速的協(xié)調來滿足真空度優(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決定我們可利用的原子束的流量，即單位時間有多少原子可供利用。爐孔由長細管構成。長細管管長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加大發(fā)散角，可由長細管陣列組成爐孔。
原子束從高溫的原子爐經(jīng)由爐孔噴出來后，進一步準直，可用小孔光攔10。也可利用激光冷卻原理對原子束的橫向發(fā)散進行激光準直。
參考圖3，準直后原子束接著進入泵浦區(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)的半導體激光器來提供。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實現(xiàn)。
最后，對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利要求書限定的本發(fā)明范圍的各種變更和改型。更具體地說，必須認識到，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結構的原子或分子，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，有相關的對應能級可以用本發(fā)明中的技術以實現(xiàn)高效率的檢測。
權利要求
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相關的一個強躍遷線對應的激光作原子檢測；原子運動到檢測區(qū)與增加的激光作用后，每個原子發(fā)出成千上百個自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測。
2.如權利要求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激光束與原子鐘的原子束呈夾角，調節(jié)檢測激光的頻率和線寬，或激光束的發(fā)散角，可選擇一定速度群的原子進行檢測。
3.如權利要求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，真空腔體內設有原子爐、泵浦激光器、與原子束垂直的由兩個全反鏡和兩個透鏡組成的貓眼光路，檢測激光，鐘激光，光電檢測裝置，伺服電路，原子束從原子爐噴出，準直后，進入泵浦區(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，原子運動到檢測區(qū)與檢測激光作用后，原子發(fā)射大量熒光被光電接受系統(tǒng)探測，其特征在于檢測激光為與原子鐘躍遷能級相關的一個強躍遷線對應的激光。
5.如權利要求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，其特征在于檢測激光和鐘激光器配備頻率自動控制電路。
7.如權利要求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設有小孔光攔，用于準直原子束。
8.如權利要求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有若干個光窗，用于激光的輸入和輸出。
9.如權利要求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備，屬于光頻段頻率標準技術領域。該方法包括增加一與原子鐘躍遷能級相關的一個強躍遷線對應的激光作原子檢測；原子運動到檢測區(qū)與增加的激光作用后，每個原子發(fā)出成千上百個自發(fā)輻射的光子，被光電接受系統(tǒng)探測。由于利用變換能級檢測法，即利用原子鐘躍遷能級相關的一個強躍遷線對應的激光來作檢測，將原來的原子檢測效率提高了很多，從而保證每個需要檢測的原子可以被測量到。
文檔編號G04F5/00GK1786853SQ20051013074
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權日2005年12月27日
發(fā)明者陳景標 申請人:北京大學