本申請涉及光學原子鐘，具體而言，涉及一種物理裝置及應(yīng)用其的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光學頻率標準或光鐘是新一代的時間頻率標準設(shè)備，可以實現(xiàn)秒的重新定義，在守時授時、頻率計量、導航通信和科學研究等領(lǐng)域?qū)⒁愿叩臏蚀_度和穩(wěn)定度逐步代替微波原子鐘。其中，基于雙光子躍遷的銣原子光鐘因其高穩(wěn)定度和相對較小的體積重量功耗無論在空間還是地面都有很好的應(yīng)用前景。

2、1994年，美國millerioux等提出了利用銣原子的雙光子躍遷制造光鐘概念；2018年，美國空軍研究實驗室phelps等開發(fā)出了雙光子躍遷銣原子光鐘樣機；2019年，美國空軍研究實驗室lemke等在真空中通過65天測試實現(xiàn)了5e-15的10天穩(wěn)定度指標。國外將該技術(shù)應(yīng)用定位為下一代gps導航星載原子鐘，強調(diào)體積、重量等要求，在其銣原子氣室及周圍光路只使用必要的屏蔽和2層控溫處理。

3、國內(nèi)在雙光子躍遷銣原子光鐘方面，也設(shè)計出了不同的光鐘裝置。比如，2017年，杜志靜等在“雙光子躍遷銣原子鐘”(cn107783412a)專利中提出了一種利用△m＝2鐘躍遷方案的雙光子躍遷銣原子鐘，但是其銣原子氣室外采用3層磁屏蔽和微波腔等，結(jié)構(gòu)復雜；2022年，許風等在“一種氣泡型熱銣原子鐘光鐘”(cn116165867a)提出了一種小型化緊湊方案，銣原子氣室及周圍光路類似于美國空軍研究實驗室；同年，劉康琦等在“一種銣雙光子激光頻率標準的激光功率頻移抑制裝置”(cn115173858a)通過2套物理系統(tǒng)實現(xiàn)激光功率頻移抑制。但是在上述公開的專利中，都采用了常規(guī)的銣原子氣泡型物理裝置，其工作在常壓環(huán)境下，溫度頻移、壓力頻移等性能影響因素控制難度大，會限制光鐘性能的提升。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┝艘环N物理裝置及應(yīng)用其的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)，能夠解決雙光子躍遷銣原子光鐘存在的中長期穩(wěn)定度性能易受環(huán)境溫度、氣壓、磁場等影響的問題，提高熒光收集效率。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝艘环N物理裝置，包括銣泡、反射筒、保溫筒、磁屏蔽結(jié)構(gòu)、真空殼體、加熱筒以及真空泵，其中：銣泡內(nèi)部填充有混合氣體；環(huán)繞銣泡的外壁，從內(nèi)到外依次包裹設(shè)置有反射筒、保溫筒、磁屏蔽結(jié)構(gòu)、真空殼體以及加熱筒；真空殼體的側(cè)面設(shè)置有激光窗，底面設(shè)置有熒光窗，真空殼體的內(nèi)部形成高真空密封腔室；加熱筒采用外加熱的方式對高真空密封腔室加熱；真空泵通過壓封式排氣管穿過真空殼體，與高真空密封腔室連通。

3、進一步的，銣泡內(nèi)部填充有金屬銣的同位素和緩沖氣體。

4、進一步的，磁屏蔽結(jié)構(gòu)包括第一屏蔽層、支撐隔離環(huán)以及第二屏蔽層，其中：第一屏蔽層和第二屏蔽層的材料均為坡莫合金；第一屏蔽層環(huán)繞包裹在保溫筒的外壁；支撐隔離環(huán)的材料為聚酰亞胺或者陶瓷，支撐隔離環(huán)設(shè)置在第一屏蔽層的外壁與真空殼體的內(nèi)壁之間；第二屏蔽層設(shè)置在支撐隔離環(huán)的中間，通過支撐隔離環(huán)與第一屏蔽層隔開。

5、進一步的，真空泵用于抽取真空殼體內(nèi)部的氣體，使高真空密封腔室的真空度維持在10-5pa-1pa。

6、進一步的，激光窗用于入射雙光子躍遷所需的激光，對銣雙光子躍遷激光的透光率≥90％。

7、進一步的，熒光窗用于雙子躍遷發(fā)出的熒光信號的出射，對銣雙光子躍遷熒光信號的透光率≥90％。

8、本申請還提供了一種應(yīng)用物理裝置的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)，包括激光器、可調(diào)激光功率衰減器、光纖準直器、長通濾波器、激光分束器、格蘭泰勒偏振鏡、反射鏡以及光電倍增管，其中：激光器為778nm激光器，射出的激光依次通過可調(diào)激光功率衰減器、光纖準直器、長通濾波器、激光分束器以及格蘭泰勒偏振鏡；格蘭泰勒偏振鏡設(shè)置在物理裝置一側(cè)的激光窗處，反射鏡設(shè)置在物理裝置另一側(cè)的激光窗處；光電倍增管設(shè)置在物理裝置底面的熒光窗處。

9、進一步的，還包括光電探測器和pid控制器，其中：光電探測器用于接收激光分束器分束后的激光；pid控制器包括第一控制器和第二控制器，第一控制器分別與光電倍增管和激光器電連接；第二控制器分別與光電探測器和可調(diào)激光功率衰減器電連接。

10、本申請?zhí)峁┑囊环N物理裝置及應(yīng)用其的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)，具有以下有益效果：

11、本申請通過將銣泡等雙光子躍遷物理部件密封到帶磁屏蔽的高真空環(huán)境內(nèi)，可以抑制銣泡溫度和環(huán)境壓力以及磁場對雙光子躍遷譜線的展寬引起的頻移，采用覆蓋整個銣泡的反射筒，實現(xiàn)熒光的高效收集，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性強，易于集成，提高了雙光子躍遷銣原子光鐘性能。

技術(shù)特征：

1.一種物理裝置，其特征在于，包括銣泡、反射筒、保溫筒、磁屏蔽結(jié)構(gòu)、真空殼體、加熱筒以及真空泵，其中：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理裝置，其特征在于，所述銣泡內(nèi)部填充有金屬銣的同位素和緩沖氣體。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的物理裝置，其特征在于，所述磁屏蔽結(jié)構(gòu)包括第一屏蔽層、支撐隔離環(huán)以及第二屏蔽層，其中：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的物理裝置，其特征在于，所述真空泵用于抽取所述真空殼體內(nèi)部的氣體，使高真空密封腔室的真空度維持在10-5pa-1pa。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理裝置，其特征在于，所述激光窗用于入射雙光子躍遷所需的激光，對銣雙光子躍遷激光的透光率≥90％。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的物理裝置，其特征在于，所述熒光窗用于雙子躍遷發(fā)出的熒光信號的出射，對銣雙光子躍遷熒光信號的透光率≥90％。

7.一種應(yīng)用權(quán)利要求6所述物理裝置的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、可調(diào)激光功率衰減器、光纖準直器、長通濾波器、激光分束器、格蘭泰勒偏振鏡、反射鏡以及光電倍增管，其中：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)，其特征在于，還包括光電探測器和pid控制器，其中：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及光學原子鐘技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種物理裝置及應(yīng)用其的雙光子躍遷銣原子光鐘系統(tǒng)，所述物理裝置包括銣泡、反射筒、保溫筒、磁屏蔽結(jié)構(gòu)、真空殼體、加熱筒以及真空泵，其中：銣泡內(nèi)部填充有混合氣體；環(huán)繞銣泡的外壁，從內(nèi)到外依次包裹設(shè)置有反射筒、保溫筒、磁屏蔽結(jié)構(gòu)、真空殼體以及加熱筒；真空殼體的側(cè)面設(shè)置有激光窗，底面設(shè)置有熒光窗，真空殼體的內(nèi)部形成高真空密封腔室；真空泵通過壓封式排氣管穿過真空殼體，與高真空密封腔室連通。本申請通過將銣泡等雙光子躍遷物理部件密封到帶磁屏蔽的高真空環(huán)境內(nèi)，可以抑制銣泡溫度和環(huán)境壓力以及磁場對雙光子躍遷譜線的展寬引起的頻移。

技術(shù)研發(fā)人員：王驥,張炯陽,肖玉華,翟浩,張俊,馮浩,陳江,劉志棟
受保護的技術(shù)使用者：蘭州空間技術(shù)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14