一种超紧凑光晶格钟真空物理装置 |
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| 申请号 | CN202210595712.7 | 申请日 | 2022-05-30 | 公开(公告)号 | CN114895544B | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 中国科学院国家授时中心; | 发明人 | 卢晓同; 常宏; | ||||
| 摘要 | 一种超紧凑光晶格钟 真空 物理装置，包括真空腔体、真空腔体上缠绕的无需 水 冷的反向亥姆赫兹线圈；真空腔体内部设置有金字塔型磁光阱所需的棱镜 支架 、直 角 棱镜组和复合反射镜；棱镜支架上设置有放置固态金属的凹槽，用激光溅射的方式产生气态金属 原子 。本 申请 联合了金字塔型磁光阱、激光溅射原子源、无需水冷的反向亥姆赫兹线圈等技术，避免了使用塞曼减速器、水冷机、高温原子炉等高功耗、大体积的装置，并简化了光路和真空装置的复杂度。使得本 发明 给出的光晶格钟真空物理装置具有体积小、功耗低、重量轻和结构超紧凑等优点，可应用于可搬运或者空间光晶格钟真空物理系统。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超紧凑光晶格钟真空物理装置,其特征在于：真空腔体（3）底部采用盲刀口法兰进行密封并设置于底座（5）上，底座（5）将本装置固定于光学面板上，真空腔体（3）中部设置有6～8根角阀支管（4），其中1根角阀支管（4）上设置有侧面刀口法兰（9），其余角阀支管（4）的端部设置有带透光窗口的法兰（1），真空腔体（3）高度方向上关于角阀支管（4）对称设置有2组固定环（6），磁场线圈（2）位于固定环（6）内并缠绕于真空腔体（3）上，真空腔体（3）顶部设置有顶部刀口法兰（8），顶部刀口法兰（8）上设置有顶部透光窗口（7），侧面刀口法兰（9）与异形角阀（10）相连接，异形角阀（10）的一端设置有抽真空角阀（11）、另一端设置有吸气剂离子泵（12），真空腔体（3）的内底部中心位置设置有棱镜支架（15），棱镜支架（15）的顶部360°相位内均布设置有4组直角棱镜（13），其中2组直角棱镜（13）之间的棱镜支架（15）上设置有凹槽（14），凹槽（14）内放置有固态金属，棱镜支架（15）中心位置设置有通孔，通孔底部设置有复合反射镜（16）。 |
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| 说明书全文 | 一种超紧凑光晶格钟真空物理装置技术领域[0001] 本发明属于计量仪器领域，具体涉及到超紧凑光晶格钟真空物理装置，用于可移动或者空间光晶格钟的研制。 背景技术[0002] 光晶格钟已经实现了E‑18量级的频率不确定和E‑19量级的系统不确定度，在量子频标、量子模拟和精密测量等领域有着重要的应用。 [0003] 随着可移动窄线宽激光技术、可移动飞秒光学频率梳和紧凑型光晶格钟真空物理装置等技术的发展，可搬运光晶格钟和空间光晶格钟的研制成为当前人们的研究热点。这些工作在实验外的光晶格钟要求紧凑的真空物理系统，以获得抗振动、体积小、重量轻和功耗低等优点，且它们的发展不仅能推动超高精度空间时频基准的建立，还能应用于相对论测地学、引力波和暗物质探测、量子力学和广义相对论的验证等等。 [0004] 可搬运或者空间光晶格钟系统需要满足体积小、功耗低、总质量小、抗振动和抗环境噪声等要求，而超级凑的真空装置是满足上述需求最关键的技术之一。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种体积小、重量轻、功耗低、具有抗振动和环境干扰能力的超紧凑光晶格钟真空物理装置。 [0006] 解决上述技术问题采用的技术方案是：一种超紧凑光晶格钟真空物理装置,真空腔体底部采用盲刀口法兰进行密封并设置于底座上，底座将本装置固定于光学面板上，真空腔体中部设置有6～8根角阀支管，其中1根角阀支管上设置有侧面刀口法兰，其余角阀支管的端部设置有带透光窗口的法兰，真空腔体高度方向上关于角阀支管对称设置有2组固定环，磁场线圈位于固定环内并缠绕于真空腔体上，真空腔体顶部设置有顶部刀口法兰，顶部刀口法兰上设置有顶部透光窗口，侧面刀口法兰与异形角阀相连接，异形角阀的一端设置有抽真空角阀、另一端设置有吸气剂离子泵，真空腔体的内底部中心位置设置有棱镜支架，棱镜支架的顶部360°相位内均布设置有4组直角棱镜，其中2组直角棱镜之间的棱镜支架上设置有凹槽，凹槽内放置有固态金属，棱镜支架中心位置设置有通孔，通孔底部设置有复合反射镜。 [0007] 本发明的磁场线圈、通过分别施加相反方向电流形成反向亥姆赫兹线圈，2组磁场线圈、之间的间距等于真空腔体、的直径，且其所产生的磁场中心与4组直角棱镜、反射面的中心对连线交点重合，即2组磁场线圈、的平均高度与4组直角棱镜、中心高度一致。 [0008] 本发明的顶部透光窗口的直径不小于棱镜支架的直径。 [0009] 本发明的复合反射镜由一面零度高反射镜和一面光学相位延迟片组成。 [0010] 本发明的棱镜支架顶部表面与真空腔体底部表面平行，棱镜支架竖直方向的中心线与真空腔体竖直方向的中心线重合，4组直角棱镜反射表面中心连线交点穿过真空腔体竖直方向的中心线。 [0011] 本发明的真空腔体的腔壁厚2 mm，顶部透光窗口的直径为70 mm、厚度为3 mm，由BK7玻璃制成，且镀有高透射461 nm、679 nm、707 nm、813 nm和698 nm的光学薄膜，带透光窗口的法兰上带的透光窗口直径为10 mm，厚度为2 mm，由蓝宝石制作而成，镀有高透射461 nm、813 nm和698 nm的光学薄膜，同时还镀有3 10 μm的高反射光学薄膜，顶部透光窗口到~顶部刀口法兰底部的距离为135.5 mm，顶部刀口法兰的底部直径为144.9 mm，整个装置的高度为310.54 mm。 [0012] 本发明的磁场线圈在直径为46 mm的真空腔体上共缠绕40匝，2组磁场线圈的中心距离为46.24 mm，2组磁场线圈通以相反方向的电流。 [0013] 本发明的棱镜支架高度为53.81 mm，棱镜支架中部开设有直径10 mm的正方形通孔，凹槽是深度为8.73 mm、直径为7 mm的圆柱形结构，直角棱镜的基底材料为N‑BK7玻璃，反射表面镀有银反射膜，直角棱镜的直角边长均为10 mm。 [0014] 由于本发明采用了金字塔型磁光阱、激光溅射的原子源、无需水冷的反向亥姆赫兹线圈，最大限度地减小了装置的体积、重量和功耗，且比传统装置更具有抗振动和环境干扰的能力。相比于传统光晶格钟真空物理装置，本发明具有以下优点： [0015] 1、用于磁光阱的四极磁场由一对反向亥姆赫兹线圈提供，可以在低电流状态下提供满足磁光阱所需的磁场梯度，无需额外的水冷装置，该设计减小了装置的功耗和体积，非常有利于实现空间光晶格钟。 [0016] 2、金字塔型磁光阱所需的3对圆偏振俘获光可通过一束入射光反射形成。扩束后的入射光（圆偏振，光束直径很大）由顶部透光窗口入射。水平方向的两对俘获光分别由固定在真空腔体内部的4组直角棱镜反射形成。竖直方向的俘获光由入射光以及底部反射光组成，底部的复合反射镜可将透过棱镜支架中心的入射光反射且偏正与入射光相反。该设计减少了光学器件的使用，并减小了真空腔体所需的透光窗口数量，有利于整个装置体积的小型化并提高装置的机械强度和抗振动能力。 [0017] 3、靠近磁光阱中心的激光溅射的原子源设计，气态的原子可通过高度汇聚的激光加热固定在棱镜支架上的固态金属实现。相对于传统的内（或外）加热的高温原子源，激光溅射的原子源可以可控地直接产生大量可被磁光阱俘获的气态原子。因此，可以避免使用塞曼减速器以及相应的塞曼减速光、原子炉（包含加热丝、温控仪和真空装置等）、机械开关和二维准直装置（包括激光和真空装置）等设备的使用，大幅度降低系统体积、质量和功耗。附图说明 [0018] 图1是本发明一个实施例的结构示意图。 [0019] 图2是图1真空腔体3内部的结构示意图。 [0020] 图中：1、带透光窗口的法兰；2、磁场线圈；3、真空腔体；4、角阀支管；5、底座；6、固定环；7、顶部透光窗口；8、顶部刀口法兰；9、侧面刀口法兰；10、异形角阀；11、抽真空角阀；12、吸气剂离子泵；13、直角棱角；14、凹槽；15、棱镜支架；16、复合反射镜。 具体实施方式[0021] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。 [0022] 实施例1 [0023] 在图1、2中，本发明涉及的一种超紧凑光晶格钟真空物理装置, 真空腔体3为空心圆柱体结构，真空腔体3底部采用盲刀口法兰进行密封，盲刀口法兰通过螺纹紧固连接件固定连接安装于底座5上，底座5将本装置固定于光学面板上，真空腔体3中部设置有6～8根角阀支管4，其中1根角阀支管4上通过螺纹紧固连接件固定连接安装有侧面刀口法兰9，其余角阀支管4的端部通过激光焊接技术固定有带透光窗口的法兰1，透光窗口通过玻璃封接技术焊接固定在带透光窗口的法兰1上，真空腔体3高度方向上关于角阀支管4对称安装有2组固定环6，磁场线圈2位于固定环6内并缠绕于真空腔体3上，进一步地，本发明的磁场线圈2通过分别施加相反方向电流形成反向亥姆赫兹线圈，2组磁场线圈2之间的间距等于真空腔体3的直径，且其所产生的磁场中心与4组直角棱镜13反射面中心的对连线交点重合，即两组磁场线圈2的平均高度与4组直角棱镜13中心高度一致。 [0024] 真空腔体3顶部通过螺纹紧固连接件固定连接安装有顶部刀口法兰8，顶部刀口法兰8上通过玻璃封接技术焊接固定有顶部透光窗口7，顶部透光窗口7的直径不小于棱镜支架15的直径。侧面刀口法兰9与异形角阀10相连接，异形角阀10的一端安装有抽真空角阀11、另一端安装有吸气剂离子泵12，抽真空角阀11与真空泵相连通，对整个装置进行抽真空操作，吸气剂离子泵12由离子泵和吸气剂泵组成，真空腔体3的内底部中心位置通过螺纹紧固连接件固定连接安装有棱镜支架15，棱镜支架15的顶部360°相位内均布安装4组直角棱镜13，用于反射入射光，直角棱镜13的反射面相对安装。棱镜支架15顶部表面与真空腔体3底部表面平行，棱镜支架15竖直方向的中心线与真空腔体3竖直方向的中心线重合，4组直角棱镜13反射表面中心对连线交点与真空腔体3竖直方向的中心线重合。其中2组直角棱镜 13之间的棱镜支架15上加工有凹槽14，凹槽14内放置有固态金属，棱镜支架15中心位置加工有通孔，通孔为矩形孔或者圆形孔，通孔底部安装有复合反射镜16，复合反射镜16由一面零度高反射镜和一面光学相位延迟片组成。 [0025] 下面具体展示本发明在87Sr光晶格钟上的应用。 [0026] 实际中，真空腔体3的腔壁厚为2 mm，其外表面缠绕有2组反向亥姆赫兹线圈，具体为，磁场线圈2在直径为46 mm的真空腔体3上，共缠绕了40匝，且两个磁场线圈2的中心距离为46.24 mm。这样的设计可以在小于3 A的电流下在磁光阱中心附近形成约50 G/cm的磁场梯度，足以能满足磁光阱的磁场需求，却无需水冷。真空腔体3顶部透光窗口7到顶部刀口法兰5底部的距离为135.5 mm，顶部刀口法兰5的底部直径为144.9 mm，整个装置的长度为310.54 mm。整个真空腔体3的材质为殷钢，以避免真空腔体3被磁化并增加装置的机械强度并提高腔体的机械强度。真空腔体3内表面进行亚光处理，减小杂散光在真空腔体3内部的反射。吸气剂离子泵12由一个10 L/s的离子泵和一个100 L/s的吸气剂泵组成。 [0027] 顶部透光窗口7的直径为70 mm、厚度为3 mm，由BK7玻璃制成，且镀有高透射461 nm、679 nm、707 nm、813 nm和698 nm的光学薄膜（对上述波长的透射率优于98 %）。真空腔体3中部设置有6根角阀支管4，其中5根角阀支管4的端部设置有带透光窗口的法兰1，且透光窗口直径为10 mm、厚度为2 mm，材料为蓝宝石并利用玻璃封接技术焊接在法兰1上，透光窗口上均镀有高透射461 nm、813 nm和698 nm的光学薄膜，同时还镀有高反射3 10 μm的光~学薄膜以抑制室温黑体辐射光子进入真空腔体3内。 [0028] 棱镜支架15高度为53.81 mm，直角棱镜13的基底材料为N‑BK7玻璃，反射表面镀有银反射膜，直角棱镜13的直角边长均为10 mm。棱镜支架15中间有一个直径为10 mm的正方形通道，部分入射光可通过该通道照射在底部的复合反射镜16上，并将入射光反射且偏振反向。凹槽14是深度为8.73 mm、直径为7 mm的圆柱形结构，用于放置固态锶原子。利用461 nm或者405 nm的高度汇聚的激光照射固态锶原子以获得大量的气态锶原子，并被金字塔型磁光阱俘获。这样，当一束直径为30 mm的入射俘获光从顶部透光窗口7入射时，一部分光被四组直角棱镜13反射（自动形成4束水平方向上的俘获光），剩余的光通过棱镜支架15的矩形透光口入射到复合反射镜16上并以相反的偏振原路返回（即形成2束竖直方向的俘获光）。这6束光与反向亥姆赫兹线圈提供的四极磁场即形成了磁光阱（这种构型的磁光阱被称作金字塔型磁光阱），并可以俘获激光溅射出的气态锶原子。固态锶原子离磁光阱非常近，可以大幅度提高磁光阱俘获的原子数目。 |
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