一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法 |
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| 申请号 | CN202310736304.3 | 申请日 | 2023-06-20 | 公开(公告)号 | CN116893606A | 公开(公告)日 | 2023-10-17 |
| 申请人 | 北京无线电计量测试研究所; 北京大学; | 发明人 | 王秀梅; 陈景标; 王一非; 刘国栋; 王丹阳; 邓博涵; 侯馨华; 王亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 公开一种激光冷却与探测 微波 腔装置及实现方法。在一具体实施方式中，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、 银 层和微波介质壁；其中所述微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的 磁场 分布；所述银层，用于提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线；所述微波介质壁，用于改变所述装置内本征模的场分布。该实施方式可有效提高冷 原子 利用率，进而降低量子投影噪声，并有效提高积分球冷原子钟的 频率 稳定度，而且装置结构简单易实现，同时材料和加工成本低，方法合理易操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、银层和微波介质壁；其中 |
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| 说明书全文 | 一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法技术领域背景技术[0002] 冷原子频标主要是利用冷原子与微波之间的分离振荡场相互作用产生鉴频曲线，从而使本地振荡器输出高稳定度和高准确度的频率信号。其中积分球冷原子钟是一种新型的小型化冷原子钟，不仅具有高稳定度、高准确度和漂移率低等优异的性能优势，而且具有体积小、重量轻和功耗低等相当高的工程价值。基于这些优势，其不仅可以作为地面守时钟，而且在空间微重力环境下，微波探询时间可以增加约半个数量级，所以积分球冷原子钟的性能在微重力环境下还可以进一步提高，为下一代卫星导航系统提供高精度的时间信号。因此其从根本上决定着我国未来导航定位系统的导航、定位和授时的精度，关系到整个系统的服务性能。即其发挥的作用将不可或缺，研制需求也不言而喻，进一步提升其性能指标对卫星导航系统将具有重要意义。此外，积分球冷原子钟也将用于我国未来深空探测、地月空间时频系统等空间工程，同样提供高精度的时间信号，决定着我国未来空间探测能力。综合来看，提升积分球冷原子钟的性能将对我国的航天事业具有重要意义。 [0003] 目前，面对上述各重大工程对积分球冷原子钟的迫切的高精度性能和星载工程需求，积分球冷原子钟的发展趋势可概括为两个方面，一方面是采用新原理和新方法不断提高精度指标；另一方面是通过新技术压缩工程特性，实现超小型工程样机。而目前其高精度指标性能作为重要的科学问题，尤其是频率稳定度作为核心的精度特征，决定了上述重大工程的基本服务、空间探测水平的保持能力。然而，目前在频率稳定度方面，与冷原子数目直接相关的量子投影噪声是限制整钟频率稳定度的重要物理因素之一。现有技术方案中，主要采用球形或圆柱形微波腔形成各向同性光场对原子进行漫反射激光冷却，以及形成仅中心区域处均匀的微波振荡场与原子相互作用，并通过单光束吸收探测法进行原子数探测。在整个方案中，仅有中心区域的冷原子团可以产生钟信号并被探测，而微波腔内非中心区域即周边区域内的大多数冷原子没有参与微波钟信号产生，即微波腔内的冷原子利用率很低。而冷原子利用率是通过量子投影噪声限制积分球冷原子钟频率稳定度的主要因素之一。这就导致积分球冷原子钟在未来无法满足上述重大工程更广阔和更深入的发展和应用需求。 [0004] 面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高冷原子利用率的研究尚处于空白阶段，因此亟需开展新方案和新技术攻关，突破其技术瓶颈，填补发展空白，促进其应用。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。 [0006] 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案： [0007] 本发明第一方面提供了一种激光冷却与探测微波腔装置，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、银层和微波介质壁；其中 [0009] 所述银层，用于提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线； [0010] 所述微波介质壁，用于改变所述装置内本征模的场分布。 [0011] 可选地，所述微波腔腔体包括微波腔上端盖、微波腔腔筒和微波腔下端盖；其中[0012] 所述微波腔上端盖无需开孔且与所述微波腔腔筒连接成一体； [0013] 所述微波腔下端盖均匀开设多个第一通光孔，用于冷却光和再抽运光和抽运光注入； [0014] 所述微波腔腔筒的中心高度位置开设多个第二通光孔，用于探测光注入和输出。 [0015] 可选地，所述微波腔腔筒包括底面直径与腔长相等的圆柱形微波腔腔筒。 [0016] 可选地，所述多个第一通光孔至少包括四个第一通光孔。 [0017] 可选地，所述多个第二通光孔至少包括两个第二通光孔；其中 [0018] 所述两个第二通光孔与所述中心高度位置的横截面上中心点的夹角为90°。 [0019] 可选地，所述微波介质壁包括介质下端盖、介质上端盖和介质筒；其中[0020] 所述介质下端盖和所述介质上端盖，用于实现轴向中心真空区域均匀微波场； [0021] 所述介质筒，用于实现径向中心真空区域均匀微波场。 [0022] 可选地，所述介质下端盖、所述介质上端盖和所述介质筒，位于所述微波腔上端盖、所述微波腔腔筒和所述微波腔下端盖内侧。 [0023] 可选地，该装置还包括透明导电膜；其中 [0024] 所述透明导电膜用于封闭所述第一通光孔和所述第二通光孔。 [0025] 可选地，该装置还包括光电探测器；其中 [0026] 所述光电探测器位于所述装置外并与用于所述探测光输出的第二通光孔对齐。 [0027] 本发明第二方面提供了一种激光冷却与探测微波腔的实现方法，该方法包括[0028] 利用微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的磁场分布； [0029] 利用银层，提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线； [0030] 利用微波介质壁，改变所述装置内本征模的场分布。 [0031] 本发明的有益效果如下： [0032] 本发明提供的一种激光冷却与探测微波腔装置，可有效提高冷原子利用率，进而降低量子投影噪声，并显著提高积分球冷原子钟的频率稳定度，而且装置结构简单易实现，同时材料和加工成本低，方法合理易操作。附图说明 [0033] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 [0034] 图1示出本发明实施例提供的一种激光冷却与探测微波腔装置的结构示意图。 [0035] 图2示出本发明实施例提供的一种激光冷却与探测微波腔装置的运行时序示意图。 具体实施方式[0036] 为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。 [0037] 面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高冷原子利用率的研究尚处于空白阶段，因此亟需开展新方案和新技术攻关，突破其技术瓶颈，填补发展空白，促进其应用。 [0038] 有鉴于此，本发明的一个实施例提供了一种激光冷却与探测微波腔装置，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、银层和微波介质壁；其中所述微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的磁场分布；所述银层，用于提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线；所述微波介质壁，用于改变所述装置内本征模的场分布。 [0039] 具体的，如图1所示，该装置由外到内主要包括圆柱形微波腔腔体、银层和微波介质壁等。其具体包括微波腔上端盖1、微波腔腔筒2、微波腔下端盖3、探测光通光孔4(第二通光孔)、探测光5、银层6、微波介质壁7、冷却光通光孔8(第一通光孔)、冷却光/再抽运光/抽运光9、光电探测器10和中轴线11。 [0040] 本实施例通过提高微波腔内均匀微波场范围和冷原子探测范围进而提高冷原子利用率，实现降低与冷原子数目直接相关的量子投影噪声对积分球冷原子钟频率稳定度的限制，为进一步研制高精度的积分球冷原子钟做好技术储备。 [0041] 在一种可能的实现方式中，所述微波腔腔体包括微波腔上端盖、微波腔腔筒和微波腔下端盖；其中所述微波腔上端盖无需开孔且与所述微波腔腔筒连接成一体；所述微波腔下端盖均匀开设多个第一通光孔，用于冷却光和再抽运光和抽运光注入；所述微波腔腔筒的中心高度位置开设多个第二通光孔，用于探测光注入和输出。 [0042] 具体的，对于微波腔腔体，其主要包含微波腔上端盖1、微波腔腔筒2和微波腔下端盖3三部分。 [0043] 进一步的，微波腔上端盖1无需开孔操作，可以与微波腔腔筒2连接成一体。微波腔腔筒2的中心高度位置开设两个探测光通光孔4，其中一个用于探测光5注入，另一个用于探测光5输出，输出的光束将由光电探测器10接收。 [0044] 在一种可能的实现方式中，所述微波腔腔筒包括底面直径与腔长相等的圆柱形微波腔腔筒。 [0045] 具体的，所述微波腔腔筒的最佳尺寸是微波腔的底面直径与腔长相等。 [0047] 本实施例不仅可以保证微波腔下端盖3注入的冷却光/再抽运光/抽运光9形成光场进行漫反射激光冷却，而且可以实现从微波腔腔筒2注入的探测光5在腔内形成空间弥散的光场对冷原子进行吸收探测。 [0048] 在一种可能的实现方式中，所述多个第一通光孔至少包括四个第一通光孔。 [0049] 具体的，微波腔下端盖3均匀的开有四个冷却光通光孔8，用于冷却光/再抽运光/抽运光9注入。 [0050] 在一种可能的实现方式中，所述多个第二通光孔至少包括两个第二通光孔；其中所述两个第二通光孔与所述中心高度位置的横截面上中心点的夹角为90°。 [0051] 具体的，两个探测光通光孔与腔筒中心高度横截面上中心点的连线在空间上成90°。 [0052] 进一步的，对于探测光5，其从微波腔腔筒2侧面注入，通过在银层6表面多次漫反射可以形成各向同性光场对微波腔内部的所有冷原子进行吸收探测，之后在水平面上垂直的侧面进行输出。 [0053] 需要说明的是，由于冷却光/再抽运光/抽运光9是从微波腔下端盖3注入的，那么在上、下端盖注入光或者输出探测容易引起冷却光/再抽运光/抽运光9第一次注入时比较强烈的损失。 [0054] 在一种可能的实现方式中，所述微波介质壁包括介质下端盖、介质上端盖和介质筒；其中所述介质下端盖和所述介质上端盖，用于实现轴向中心真空区域均匀微波场；所述介质筒，用于实现径向中心真空区域均匀微波场。 [0055] 具体的，对于微波介质壁7，加载后可以改变微波腔内TE011本征模的场分布。通过加载一定的相移，使腔内的场分布沿着径向和轴向变得均匀，形成新的腔场模式。在这种特殊模式中，中心真空区域即为需要的大范围均匀微波场。 [0056] 进一步的，在微波腔上端盖1和微波腔下端盖3内表面处加载的介质壁可以实现将变化明显的磁场区域转移至相移为π/2的介质壁中，从而实现轴向中心真空区域大范围均匀微波场；微波腔腔筒2的内表面处加载微波介质壁7，该介质壁工作效果与轴线介质壁类似，其使磁力线在介质壁中的相移为一个固定值，一方面将轴向磁场变化明显的磁力线转移至介质壁中，另一方面将轴向磁场非零磁力线转移至微波介质壁7中，最终也实现径向中心真空区域大范围均匀微波场。 [0057] 在一种可能的实现方式中，所述介质下端盖、所述介质上端盖和所述介质筒，位于所述微波腔上端盖、所述微波腔腔筒和所述微波腔下端盖内侧。 [0058] 具体的，对于微波介质壁7，其位于微波腔上端盖1、微波腔腔筒2和微波腔下端盖3内侧，对应的也将包含介质下端盖、介质上端盖和介质筒三部分。 [0059] 进一步的，为了保证光束的透光特性，微波介质壁7的材质应该具有高透光率特性。 [0060] 在一种可能的实现方式中，该装置还包括透明导电膜；其中所述透明导电膜用于封闭所述第一通光孔和所述第二通光孔。 [0061] 具体的，本实施例采用新材料透明导电膜对冷却光通光孔8和探测光通光孔4进行封闭。 [0062] 本实施例中新材料可以使光通过，但是微波不通过，因此可以在一定程度上避免开孔对微波场的影响。 [0063] 在一种可能的实现方式中，该装置还包括光电探测器；其中所述光电探测器位于所述装置外并与用于所述探测光输出的第二通光孔对齐。 [0064] 具体的，光电探测器10位于微波腔外部，其需要采用尽量大尺寸的平面光敏面探测器，最大限度接收探测光5，进而实现冷原子探测。 [0065] 本实施例可以将微波腔作为一体化装置，使激光冷却、微波相互作用和冷原子探测三个过程均依据钟周期依次发生在微波腔内部，且激光冷却后的冷原子全部参与微波相互作用和探测过程，即微波腔内的冷原子可以全部参与产生钟信号并被探测到。 [0066] 本实施例不仅可降低与冷原子数目直接相关的量子投影噪声对积分球冷原子钟频率稳定度的限制，而且装置结构简单易实现，同时材料和加工成本低，方法合理易操作。 [0067] 本发明的另一个实施例提供了一种激光冷却与探测微波腔的实现方法，其特征在于，该方法包括利用微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的磁场分布；利用银层，提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线；利用微波介质壁，改变所述装置内本征模的场分布。 [0068] 具体的，如图2所示为激光冷却与探测微波腔运行时序示意图。其中，tc为漫反射激光冷却时间，tp为态制备时间，τM为微波腔相互作用时间，τR为微波脉冲相互作用时间，TF为自由演化时间，tpb为冷原子探测时间，T0为运行周期。 [0069] 根据钟运行周期T0，具体方法简述如下： [0070] 冷原子制备阶段：在漫反射激光冷却时间tc内，先利用冷却光通过微波腔内的多次漫反射形成的各向同性光场将原子冷却至基态上能级，并且冷却过程中再抽运光可以使用冷原子一直保持在该能级。 [0071] 在态制备时间tp内，抽运光会统一将处于基态上能级的冷原子制备到基态下能级，为与微波相互作用过程做准备；在该过程中，冷却光、再抽运光和抽运光均是通过微波腔下端盖冷却光通光孔注入的。 [0072] 微波相互作用阶段，在第一个微波脉冲相互作用时间τR内，开启微波振荡场，由于微波介质壁的作用，微波腔内将形成大范围均匀微波场；冷原子可与该大范围均匀微波场进行相互作用并发生π/2跃迁；在自由演化时间TF内，关闭微波振荡场，冷原子将会积累一定的相位；在第二个微波脉冲相互作用时间τR内，再次开启微波振荡场，使冷原子与大范围均匀微波场再次进行相互作用并发生π/2跃迁，该相互作用可以将本地振荡器的相位信息编码在两个基态能级之间的布居差中，便于探测。 [0073] 探测阶段：开启探测光，探测时间为tpb，探测光以一定角度注入微波腔内，通过在微波腔内的多次漫反射形成的各向同性光场对微波腔内的全部冷原子进行吸收探测，因此可实现微波腔内大范围冷原子数探测。探测得到的信号经过处理后可形成钟信号进行闭环处理，即钟信号经伺服电路处理后产生可以表征本地振荡器频率变化量的误差信号，误差信号进一步处理后形成伺服信号，伺服信号作用于本地振荡器后将补偿本地振荡器输出频率的变化量，最终将本地振荡器的输出频率锁定到原子基态能级之间跃迁频率上。 [0074] 本实施例首次原创性地提出激光冷却与探测微波腔的实现方案，不仅通过在微波腔内表面处加载透明微波介质壁形成大范围均匀微波场，而且通过不同注光方式形成各向同性光场分别进行漫反射激光冷却和弥散吸收探测。在该微波腔中，微波腔内通过漫反射激光冷却制备的全部冷原子都可以参与微波钟跃迁并被探测到，即冷原子利用率可以得到大幅度提高。其可解决传统方案中冷原子利用率低的问题，预计将降低量子投影噪声，进而显著提高积分球冷原子钟的频率稳定度。 [0075] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0076] 还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0077] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。 |
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