一种积分球冷原子钟装置及实现方法

1.本发明涉及冷原子频标技术领域。更具体地，涉及一种积分球冷原子钟装置及实现方法。


背景技术：

2.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和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。
3.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和空间探测水平的保持能力。然而积分球冷原子钟目前主要由于在每个钟周期内均存在较长时间的冷原子制备时间，导致其对本地振荡器振采样时间在每个钟周期内均较短，这种对本地振荡器的间歇性采样且占空比较低的问题，使得本地振荡器钟周期频率的整数倍频率噪声发生下转换现象，并且限制了喷泉钟的频率稳定度进一步提高，该频率限制过程一般称之为dick效应。当前在dick效应中，较低占空比问题是限制频率稳定度难以继续提高的技术瓶颈，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。
4.面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高其占空比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。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种积分球冷原子钟装置及实现方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
6.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
7.本发明第一方面提供了一种积分球冷原子钟装置，该装置包括至下而上依次设置的真空室、多个机械开关和多个反射镜；其中
8.所述真空室，用于当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；
9.所述多个机械开关，用于当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；
10.所述多个反射镜，用于对所述第二类光进行反射形成驻波。
11.可选地，所述真空室包括圆柱形积分球和设置在所述圆柱形积分球上的第一圆柱形微波腔和第二圆柱形微波腔。
12.可选地，所述多个机械开关至少包括第一机械开关和第二机械开关；其中
13.所述第一机械开关设置于所述真空室上方，且与所述第一圆柱形微波腔的中心轴线同轴；
14.所述第二机械开关设置于所述真空室上方，且与所述第二圆柱形微波腔的中心轴线同轴。
15.可选地，所述多个反射镜至少包括第一反射镜和第二反射镜；其中
16.所述第一反射镜设置于所述第一机械开关的上方，且与所述第一圆柱形微波腔的中心轴线同轴；
17.所述第二反射镜设置于所述第二机械开关的上方，且与所述第二圆柱形微波腔的中心轴线同轴。
18.可选地，所述圆柱形积分球的下端面均匀的开设多个第一通光孔和多个第二通光孔；其中
19.所述多个第一通光孔用于注入冷却光和再抽运光和抽运光；
20.所述多个第二通光孔用于注入推光和探测光。
21.可选地，所述多个第一通光孔至少包括两个第一通光孔，所述多个第二通光孔至少包括两个第二通光孔；其中
22.所述两个第一通光孔的连线与所述两个第二通光孔的连线垂直。
23.可选地，所述圆柱形积分球，用于当冷却光和再抽运光和抽运光注入时，实现冷原子制备并得到激光冷却后的第一冷原子团和激光冷却后的第二冷原子团。
24.可选地，所述第一圆柱形微波腔和所述第二圆柱形微波腔，用于共用所述冷原子并通过不同位置的推光分别形成与微波相互作用的第一冷原子团以及与微波相互作用的第二冷原子团。
25.可选地，所述第一圆柱形微波腔和所述第二圆柱形微波腔，还分别用于通过不同位置的探测光吸收探测所述与微波相互作用的第一冷原子团和所述与微波相互作用的第二冷原子团。
26.本发明第二方面提供了一种积分球冷原子钟装置的实现方法，该方法包括
27.利用真空室，当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；
28.利用多个机械开关，当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；
29.利用多个反射镜，对所述第二类光进行反射形成驻波。
30.本发明的有益效果如下：
31.本发明提供的一种积分球冷原子钟装置，不仅有效提高了积分球冷原子钟对本地振荡器的间歇性采样的占空比，解决了较低的占空比通过dick效应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。
附图说明
32.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。
33.图1示出本发明实施例提供的一种积分球冷原子钟装置的结构示意图。
34.图2示出本发明实施例提供的一种积分球冷原子钟装置的运行时序示意图。
具体实施方式
35.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。
36.面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高其占空比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。
37.有鉴于此，本发明的一个实施例提供了一种积分球冷原子钟装置，该装置包括至下而上依次设置的真空室、多个机械开关和多个反射镜；其中所述真空室，用于当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；所述多个机械开关，用于当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；所述多个反射镜，用于对所述第二类光进行反射形成驻波。
38.具体的，如图1所示，该装置由下至上主要为真空室、圆柱形积分球、两个圆柱形微波腔、机械开关、反射镜等。其具体包括左反射镜1、右反射镜2、左机械开关3、右机械开关4、真空室5、左圆柱形微波腔6、右圆柱形微波腔7、与微波相互作用的左冷原子团8、与微波相互作用的右冷原子团9、冷却光/再抽运光/抽运光10、激光冷却后的左冷原子团11、激光冷却后的右冷原子团12、圆柱形积分球13、左推光/探测光14、右推光/探测光15和中轴线16。
39.本实施例用于去除每个钟周期内较长的冷原子制备时间，降低dick效应中占空比较低引起的频率稳定度限制，解决现有技术中积分球冷原子钟频率稳定度难以继续提高的问题，为进一步研制高精度的积分球冷原子钟做好技术储备。
40.在一种可能的实现方式中，所述真空室包括圆柱形积分球和设置在所述圆柱形积分球上的第一圆柱形微波腔和第二圆柱形微波腔。
41.具体的，真空室5由下至上分别包含圆柱形积分球13、左圆柱形微波腔6(第一圆柱形微波腔)和右圆柱形微波腔7(第二圆柱形微波腔)，其可为冷原子提供高真空的贮存和制备环境。
42.在一种可能的实现方式中，所述多个机械开关至少包括第一机械开关和第二机械开关；其中所述第一机械开关设置于所述真空室上方，且与所述第一圆柱形微波腔的中心轴线同轴；所述第二机械开关设置于所述真空室上方，且与所述第二圆柱形微波腔的中心轴线同轴。
43.在一种可能的实现方式中，所述多个反射镜至少包括第一反射镜和第二反射镜；其中所述第一反射镜设置于所述第一机械开关的上方，且与所述第一圆柱形微波腔的中心
轴线同轴；所述第二反射镜设置于所述第二机械开关的上方，且与所述第二圆柱形微波腔的中心轴线同轴。
44.具体的，左反射镜1(第一反射镜)、右反射镜2(第二反射镜)、左机械开关3(第一机械开关)和右机械开关4(第二机械开关)位于真空室5上方，且左反射镜1和左机械开关3与左圆柱形微波腔6中心轴线同轴，右反射镜2和左机械开关4与右圆柱形微波腔7中心轴线同轴。
45.在一种可能的实现方式中，所述圆柱形积分球的下端面均匀的开设多个第一通光孔和多个第二通光孔；其中所述多个第一通光孔用于注入冷却光和再抽运光和抽运光；所述多个第二通光孔用于注入推光和探测光。
46.在一种可能的实现方式中，所述多个第一通光孔至少包括两个第一通光孔，所述多个第二通光孔至少包括两个第二通光孔；其中所述两个第一通光孔的连线与所述两个第二通光孔的连线垂直。
47.具体的，圆柱形积分球13下端面均匀的开设4个通光孔，且两两垂直，两个用于注入冷却光/再抽运光/抽运光10，另外两个用于分别注入左、右推光和探测光14、15。
48.在一种可能的实现方式中，所述圆柱形积分球，用于当冷却光或再抽运光或抽运光注入时，实现冷原子制备并得到激光冷却后的第一冷原子团和激光冷却后的第二冷原子团。
49.具体的，当冷却光/再抽运光/抽运光10注入到圆柱形积分球13中后，可以通过在其内部形成各向同性的漫反射光场实现冷原子制备，同时得到激光冷却后的左冷原子团11(激光冷却后的第一冷原子团)和激光冷却后的右冷原子团12(激光冷却后的第二冷原子团)。
50.在一种可能的实现方式中，所述第一圆柱形微波腔和所述第二圆柱形微波腔，用于共用所述冷原子并通过不同位置的推光分别形成与微波相互作用的第一冷原子团以及与微波相互作用的第二冷原子团。
51.具体的，左圆柱形微波腔6和右圆柱形微波腔7可以共用圆柱形积分球13产生的冷原子，只不过可通过不同位置的推光进行冷原子团选择。
52.在一种可能的实现方式中，所述第一圆柱形微波腔和所述第二圆柱形微波腔，还分别用于通过不同位置的探测光吸收探测所述与微波相互作用的第一冷原子团和所述与微波相互作用的第二冷原子团。
53.具体的，当关闭左机械开关3时，注入的左推光/探测光14将会形成行波，作为左推光将激光冷却后的左冷原子团11沿着重力方向上抛至左圆柱形微波腔6的中心位置，形成待与微波相互作用的左冷原子团8(与微波相互作用的第一冷原子团)。当开启左机械开关3时，注入的左推光/探测光14将会形成驻波，作为左探测光可对与微波相互作用的左冷原子团8进行吸收探测。
54.当关闭右机械开关4时，注入的右推光/探测光15将会形成行波，作为右推光将激光冷却后的右冷原子团12沿着重力方向上抛至右圆柱形微波腔7中心位置，形成待与微波相互作用的右冷原子团9(与微波相互作用的第二冷原子团)。当开启右机械开关4时，注入的右推光/探测光15将会形成驻波，作为右探测光可对与微波相互作用的右冷原子团9进行吸收探测。
55.本实施例可在空间上成功分离冷原子制备过程与微波相互作用和探测过程，使得两个过程可在时间上同步运行，即冷原子制备过程已经能够脱离钟周期，成功去除每个钟周期内较长的冷原子制备时间。该同步运行过程可极大地提高积分球冷原子钟对本地振荡器的间歇性采样过程中的占空比，进而实现对本地振荡器输出频率的高效鉴频。
56.本发明的第二个实施例提供了一种积分球冷原子钟装置的实现方法，该方法包括利用真空室，当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；利用多个机械开关，当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；利用多个反射镜，对所述第二类光进行反射形成驻波。
57.具体的，如图2所示，tc为漫反射激光冷却时间，t
p
为态制备时间，t
ps
为推光时间，τ
lm
为左微波腔相互作用时间，t
lp
为左冷原子探测时间，τ
rm
为右微波腔相互作用时间，t
rp
为右冷原子探测时间，τr为微波脉冲相互作用时间，tf为自由演化时间，tc为冷原子制备时间，t
l
为左微波相互作用与探测时间，tr为右微波相互作用与探测时间，t0为钟周期。
58.根据钟运行周期t0，具体方法简述如下：
59.冷原子制备阶段：在漫反射激光冷却时间tc内，先利用冷却光通过圆柱形积分球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冷原子一直保持在该能级；在态制备时间t
p
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；在推光时间t
ps
内，将关闭左机械开关，使左探测光成为行波，即左推光将左侧的冷原子团沿着重力方向推向上方的左圆柱形微波腔；在整个冷原子制备时间tc中，tc为tc、t
p
和t
ps
三者之和。
60.需要注意的是，在将左侧冷原子团沿重力方向上抛之后，接下来将进行周期性的冷原子制备，即冷原子制备过程已与微波相互作用和探测过程在空间上进行分离，使两个过程在时间上能够同步运行。
61.左微波相互作用与探测阶段：当左冷原子团被沿着重力方向推入上方的左圆柱形微波腔后，在第一个微波脉冲相互作用时间τr内，开启微波振荡场，使冷原子与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；在左冷原子探测时间t
lp
内，开启左机械开关，使探测光成为驻波对与微波相互作用后的冷原子进行探测；在整个左圆柱形微波腔相互作用时间τ
lm
中，τ
lm
为2τr、tf和t
lp
三者之和。
62.需要注意的是，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；可以看出，该闭环处理过程不占用钟周期，即可认为第一个钟周期t0即为τ
lm
。
63.右微波相互作用与探测阶段：在进行左微波相互作用与探测过程时，冷原子制备过程也在同步进行，并且在左微波相互作用与探测阶段的临近最后时刻，将关闭右机械开关，使右探测光成为行波，即右推光将右侧的冷原子团沿着重力方向推向上方的右圆柱形
微波腔；当右侧的冷原子团被沿着重力方向推入上方的右圆柱形微波腔后，在第一个微波脉冲相互作用时间τr内，开启微波振荡场，使冷原子与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；在右冷原子探测时间t
lp
内，开启右机械开关，使探测光成为驻波对与微波相互作用后的冷原子进行探测；在整个右微波腔相互作用时间τ
rm
中，τ
rm
为2τr、tf和t
rp
三者之和。
64.需要注意的是，探测得到的信号同样可经过处理后可形成钟信号进行闭环处理，并且该闭环处理过程不占用钟周期，即可认为第二个钟周期t0即为τ
rm
。
65.周期性左、右微波相互作用与探测阶段：在依次完成上述左、右微波相互作用与探测后，冷原子制备过程依然周期性不间断运行，并且左、右微波相互作用与探测将进行周期性交替运行。即在周期性钟运行时序过程中，冷原子制备过程与微波相互作用和探测过程已经完成空间分离，但是两个过程可在时间上同步运行，即冷原子制备过程已经能够脱离钟周期。该同步运行过程可极大地提高积分球冷原子钟对本地振荡器的间歇性采样过程的占空比，进而实现对本地振荡器的输出频率的高效鉴频。
66.本实施例首次原创性地提出高占空比积分球冷原子钟的实现方案，在时序上分离了冷原子制备过程与微波相互作用和探测过程，成功去除了每个钟周期内较长的冷原子制备时间，可明显提高积分球冷原子钟对本地振荡器的间歇性采样的占空比，降低dick效应中占空比较低引起的频率稳定度限制。
67.本实施例公布的高占空比积分球冷原子钟装置和方法，可以在周期性时序运行过程中，空间上分离冷原子制备过程与微波相互作用和探测过程，使两个过程在时间上同步运行，即冷原子制备过程脱离钟周期时序，极大提高积分球冷原子钟对本地振荡器的间歇性采样的占空比，进而实现对本地振荡器的输出频率的高效鉴频。
68.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。
69.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。
70.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。

技术特征：
1.一种积分球冷原子钟装置，其特征在于，该装置包括至下而上依次设置的真空室、多个机械开关和多个反射镜；其中所述真空室，用于当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；所述多个机械开关，用于当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；所述多个反射镜，用于对所述第二类光进行反射形成驻波。2.根据权利要求1所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述真空室包括圆柱形积分球和设置在所述圆柱形积分球上的第一圆柱形微波腔和第二圆柱形微波腔。3.根据权利要求2所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述多个机械开关至少包括第一机械开关和第二机械开关；其中所述第一机械开关设置于所述真空室上方，且与所述第一圆柱形微波腔的中心轴线同轴；所述第二机械开关设置于所述真空室上方，且与所述第二圆柱形微波腔的中心轴线同轴。4.根据权利要求3所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述多个反射镜至少包括第一反射镜和第二反射镜；其中所述第一反射镜设置于所述第一机械开关的上方，且与所述第一圆柱形微波腔的中心轴线同轴；所述第二反射镜设置于所述第二机械开关的上方，且与所述第二圆柱形微波腔的中心轴线同轴。5.根据权利要求4所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述圆柱形积分球的下端面均匀的开设多个第一通光孔和多个第二通光孔；其中所述多个第一通光孔用于注入冷却光和再抽运光和抽运光；所述多个第二通光孔用于注入推光和探测光。6.根据权利要求5所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述多个第一通光孔至少包括两个第一通光孔，所述多个第二通光孔至少包括两个第二通光孔；其中所述两个第一通光孔的连线与所述两个第二通光孔的连线垂直。7.根据权利要求6所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述圆柱形积分球，用于当冷却光和再抽运光和抽运光注入时，实现冷原子制备并得到激光冷却后的第一冷原子团和激光冷却后的第二冷原子团。8.根据权利要求7所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述第一圆柱形微波腔和所述第二圆柱形微波腔，用于共用所述冷原子并通过不同位置的推光分别形成与微波相互作用的第一冷原子团以及与微波相互作用的第二冷原子团。9.根据权利要求8所述的积分球冷原子钟装置，其特征在于，所述第一圆柱形微波腔和所述第二圆柱形微波腔，还分别用于通过不同位置的探测光吸收探测所述与微波相互作用的第一冷原子团和所述与微波相互作用的第二冷原子团。
10.一种积分球冷原子钟装置的实现方法，其特征在于，该方法包括利用真空室，当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；利用多个机械开关，当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；利用多个反射镜，对所述第二类光进行反射形成驻波。

技术总结
本发明实施例公开一种积分球冷原子钟装置及实现方法。在一具体实施方式中，该装置包括至下而上依次设置的真空室、多个机械开关和多个反射镜；其中所述真空室，用于当第一类光注入后，实现冷原子制备并得到多个激光冷却后的冷原子团；所述多个机械开关，用于当第二类光注入所述真空室时，通过关闭或打开所述多个机械开关实现制备或探测多个与微波相互作用的冷原子团；所述多个反射镜，用于对所述第二类光进行反射形成驻波。该实施方式不仅有效提高了积分球冷原子钟对本地振荡器的间歇性采样的占空比，解决了较低的占空比通过Dick效应对积分球冷原子钟频率稳定度的限制，而且该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。法合理易操作。法合理易操作。


技术研发人员：王秀梅 陈景标 王一非 刘国栋 王丹阳 邓博涵 侯馨华 王亮
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20