专利名称：去除原子在塞曼冷却窗口沉积的方法、装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子光钟技术领域，特别是指一种在锶原子光钟中去除原子在塞曼 冷却窗口沉积的方法、装置和系统。
背景技术：
目前，国际上的时间频率标准是由铯(Cs)原子喷泉钟提供的，而应用锶(Sr)原子做成的光钟具有更高的准确度和稳定度，因此原子光钟是当前世界上研究的热点。原子光钟系统的结构如图1所示。锶元素放置在原子炉101中，原子炉中有一 准直装置102，加热原子炉，原子便以束流的形式从原子炉中射出，经过塞曼减速器103 后在磁场和六束光组成的磁光阱(MOT) 104中进行囚禁，进而进行频率探测。与原子束正相对的地方有一个玻璃窗口，称为塞曼冷却窗口 105，用来入射塞 曼冷却光。在磁光阱还没有工作的时候，热原子会直接打到冷的玻璃窗105上，在玻璃 窗口 105上迅速沉积，污染窗口，从而使光的透过率大大降低，造成对原子冷却和囚禁 的不利影响。在实际实验中，即使磁光阱104正常工作，还是有一部分原子会到达窗口 105；并且无论如何，所用的原子，即被捕获囚禁的原子只是几种同位素中的一种，无用 的同位素原子都会到达窗口 105。现有技术普遍应用的方法是窗口加热法，对玻璃窗口加热，让窗口保持在较高 的温度，原子在热的窗口上沉积便非常少了，因此能够保证窗口的清洁。一般采用加热 带或者是利用光照加热，如利用加热带，加热带被缠绕在窗口法兰上；如利用光照加热 的时候，光被聚焦在窗口的中心处。加热法是被动方法，需要加热窗口，但是MOT区域需要低温，因此高温窗口会 对MOT区有影响，并且若采用光照加热时，少量光会通过窗口入射进MOT区，对MOT 信号的采集有强烈的干扰并产生光频移。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种锶原子光钟中去除原子在塞曼冷却窗口 沉积的方法、装置和系统，更好地解决在原子光钟中原子在塞曼冷却窗口上的沉积造成 的窗口玻璃污染问题。基于上述目的本发明提供的一种锶Sr原子光钟系统中去除原子在塞曼冷却窗口 沉积的方法，所述锶原子光钟系统中，在原子束方向上成直线依次布设有用于发射原子 束的原子炉、用于囚禁原子的磁光阱以及塞曼冷却窗口，其中，在除所述磁光阱以外的从所述原子炉的发射口到所述塞曼冷却窗口之间的至少 一处区域内，用与待清除原子共振的激光沿一角度对原子束运动路径进行照射以使原子 最终无法到达塞曼冷却窗口。可选的，该方法如果所述照射光多于一束，各束照射激光在不同位置沿同一方 向进行照射，或者在不同位置沿不同但非相反的方向照射，或者在同一位置沿不同但非相反的方向照射。
可选的，该方法所述照射光通过所述锶原子光钟系统中用作二维准直的窗口进 行照射。
可选的，该方法当所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口 之间时，所述照射光为与87&以外其他同位素共振的激光；当所述照射的区域为从所述 磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射光为与锶原子所有高丰度同位素共振 的激光，或其中一种高丰度同位素共振的激光。
可选的，该方法所述与以外其他同位素共振的光为与同位素共振的激 光；所述与锶原子所有高丰度同位素共振的光为与8Sr以及86&和共振的激光。
可选的，该方法所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口 之间，和从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间同时对原子运动路径进行照射。
可选的，该方法所述照射光照射方向与锶原子束运动的方向垂直。
可选的，该方法当所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口 之间时，所述激光的中心波长为460.862nm，谱线宽度或扫描宽度为IOMHz ；
当所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述激光 的中心波长为460.862nm，所述激光的谱线宽度或扫描宽度为百兆量级。
可选的，该方法当所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱 入口之间时，所述照射光发射采用扫描方式，扫描范围10MHz，扫描速度至少为 2QVRm{\ + S)TShkL(LW).
当所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射 光发射采用多频率光束合成方式。
可选的，该方法当所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口之间时，所述照射光在原子束方向上的作用长度至少为米，其中，V为原子束纵向速度，R为塞曼冷却窗口半径，m为原子质量，S为实际光强和饱和光强的比， τ为原子的跃迁几率，k为光子波矢，方为普朗克常数，L为照射光入射窗口到塞曼冷却 窗口的长度；
当所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射200F'2 Rm{\ + S)光在原子束方向上的作用长度为碰L'_ 其中V’为此处的原子速度，L’是从 此处到塞曼冷却窗口的距离。
可选的，该方法照射光在原子束方向上的作用长度范围为5mm到20mm之间。
基于上述目的，本发明还提出了一种锶原子光钟系统中去除原子在窗口沉积的 装置，所述锶原子光钟系统中，在原子束方向上成直线依次布设有用于发射原子束的原 子炉、用于囚禁原子的磁光阱以及塞曼冷却窗口，在该装置中包括
激光器，用于发出与待清除原子共振的激光；以及
光路调节设备，用于使激光器发出的激光能够在除所述磁光阱以外的从所述原子炉的发射口到所述塞曼冷却窗口之间的至少一处区域内，沿一角度对原子运动路径进 行照射以使原子最终无法到达塞曼冷却窗口。
可选的，该装置所述光路调节设备还包括扩束装置，用于对激光器发出的激 光光束进行扩束。
可选的，该装置所述扩束装置为扩束透镜对，所述扩束透镜对后者和前者的焦 距比为希望得到的光束半径和原来的光束半径比，所述扩束透镜对的每个透镜上镀有增 透膜。
可选的，该装置所述光路调节设备中还包括半波片，使半导体激光器发出的 激光偏振方向发生旋转；
偏振分光镜，使经半波片旋转后的激光光束经偏振分光镜后，一部分光被反 射，在其中一个照射区域内对所述原子束运动路径进行照射，另一部分光被透射在另一 个照射区域内对所述原子束运动路径进行照射。
可选的，该装置所述激光器发射的激光波长为460.862nm。
可选的，该装置当所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口 之间时，所述照射光为与87&以外其他同位素共振的激光；当所述照射的区域为从所述 磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射光为与锶原子所有高丰度同位素共振 的激光，或其中一种高丰度同位素共振的激光。
可选的，该装置所述与8Sr以外其他同位素共振的光为与同位素共振的激 光；所述与锶原子所有高丰度同位素共振的光为与8Sr以及86&和共振的激光。
可选的，该装置所述光路调节设备中还包括第一、第二、第三和第四声光调 制器，用于将光的中心频率增加或者减小一个固定值；
第一声光驱动器，作为第一声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应8、r 跃迁频率和激光器输出频率差；
第二声光驱动器，作为第二声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应^5 跃迁频率和激光器输出频率差；
第三声光驱动器，作为第三声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应8Sr 跃迁频率和激光器输出频率差；
第四声光驱动器，作为第四声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应 跃迁频率和激光器输出频率差。
可选的，该装置所述第一、第二、第三和第四声光驱动器，还分别增加一个用于扩大频谱窻__〗，调制范围为10MHz，第一声 光调制器扫描速度至少为，第二、第三和第四声光调制器的扫描速度为IOk-IOOkHz。
可选的，该装置所述光路调节设备中还包括分别设置于所述声光调制器前 后，用于聚焦激光束的第一凸透镜和第二凸透镜。
基于上述目的，本发明还提出了一种锶原子光钟中去除塞曼冷却窗口沉积的系 统，在该系统中设置上面所述装置。
可选的，该系统所述照射光在从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口之间区 域通过所述锶原子光钟系统中用作二维准直的窗口进行照射；在所述锶原子光钟系统中从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间的区域开一对窗口，所述照射光通过所开窗 口进行照射以使原子最终无法到达塞曼冷却窗口。从上面所述可以看出，本发明提供的锶原子光钟中去除原子在塞曼冷却窗口沉积的方法、装置和系统，通过光照使原子产生横向速度，最终不能够达到塞曼冷却窗 口，该方案能够有效的去除原子光钟系统中原子在塞曼冷却窗口玻璃上的沉积，实验中 照射激光线宽在2M以下，取得的结果是多于75%的原子能够不再沉积，使窗口玻璃保 持高的通光率。并且该方案简单有效、应用灵活，不影响锶原子光钟的正常工作。
图1为现有技术光钟系统结构示意图；图2为本发明实施例光钟中去除原子在塞曼冷却窗口沉积方法示意图；图3为88Sr、87Sr和86Sr三种同位素的能级结构示意图；图4为88Sr和87Sr原子跃迁几率比随激光频谱半宽的变化示意图；图5为本发明实施例光钟中去除原子在塞曼冷却窗口沉积的系统结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本发明进一步详细说明。通常情况下，原子都处于低能级的基态上，当入射到原子上的光子和原子共振 的时候，原子就会吸收光子发生跃迁，由低能级跃迁到高能级。如果原子跃迁后的上能 级不是稳态，那么原子会辐射一个光子，回到下能级。原子自发辐射光子的频率是一定 的，并且光子的出射方向是随机的。那么一个吸收_辐射过程后，原子的速度就会有一 定的变化。运动速度为V的原子，和动量为M的光子共振，吸收光子后遵循动量守恒定 律，因此原子的速度变化了 ^r/w，其中m为原子的质量。原子再自发辐射出一个光子， 光子的动量大小依旧为，但是其方向是随机的，因此从总的统计上来看，原子的运动 速度依旧是变化了，并且是在光照方向上变化。当用一束共振光照射原子的时候，原子吸收一个光子跃迁到高能级，然后自发 辐射一个光子回落到低能级。这一过程会造成原子速度的变化，包括运动的方向和速率 的大小。因此，本发明的思路是在除所述磁光阱以外的从所述原子炉的发射口到所述塞 曼冷却窗口之间的至少一处区域内，用待清除原子的共振光沿与锶原子束方向(即原子 束运动方向)成一角度对原子运动路径进行照射以使原子最终无法到达塞曼冷却窗口。自然界存在锶元素中，最主要的是88Sr、87Sr和86Sr,分别占总量的83%、7%和 9.9%。本发明所能应用到的这三种同位素的能级如图3所示。其中最上面为88Sr,第二 个为87Sr,第三个为86&。因为87Sr有核自旋，因此能级都还有超精细分裂。本发明实施例中，在原子光钟的系统上MOT区前后各加一对窗口 201和202。 如图2所示。因为87Sr是光钟最终需要的原子，因此为防止87Sr到达在MOT区前被清除，在MOT前的窗口 201处，利用和锶原子以外其他同位素共振的激光进行照射(图中 1处所示)；在MOT区后的窗口 202处，则利用和锶原子所有高丰度同位素共振的激光进 行照射(图中2处所示)，或其中用其中一种高丰度同位素共振的激光进行照射也可以， 只是效果略差一点。其中所述锶原子所有高丰度同位素主要包括88&、87&和^^"。使 原子有一个横向的速度，最终不能到达最右侧的塞曼冷却窗口 105，从而去除锶原子在塞 曼冷却窗口 105上的沉积。其中，所述的两对窗口 201和202，可以沿原子光钟的系统台 面平行的方向开，也可以沿与所述台面垂直方向开，或者其他方向开均可，只要使透过 窗口的照射光能够给原子束一个横行速度即可。另外，也可以多设置几对窗口，使对原 子束沿一个方向照射的同时，还从其他位置同时对原子束进行照射，或者从其他角度同 时对原子束进行照射，或者以上组合方式，关键是照射的光束方向不要相反即可，最好 照射光束之间的夹角小于等于90度。
由于光钟系统中已经存在用作二维准直的窗口 106，因此本发明优选实施例中， 可以直接利用这对窗口 106来作为在MOT区前的那一对窗口 201。另外，用和88&元素 共振的光在MOT区前窗口 201处与原子束方向垂直入射；并用和以及86&和元 素共振的光在MOT区后窗口 202处与原子束垂直入射。
按照上述优选实施例，在沿着原子束方向垂直入射的情况下，假如从照射光入 射窗口到塞曼冷却窗口的长度是L，塞曼冷却窗口半径是R，原子束纵向速度V，则横向 速度至少应该是VR/L才能使原子偏离不到达塞曼窗口。原子每吸收-辐射一个光子的 速度变化约为/^/W，其中&为普朗克常数，m为原子质量，k为光子波矢，因此每个原VRm子需要吸收光子数为
权利要求
1.一种锶Sr原子光钟系统中去除原子在塞曼冷却窗口沉积的方法，所述锶原子光钟 系统中，在原子束方向上成直线依次布设有用于发射原子束的原子炉、用于囚禁原子的 磁光阱以及塞曼冷却窗口，其特征在于，在除所述磁光阱以外的从所述原子炉的发射口到所述塞曼冷却窗口之间的至少一处 区域内，用与待清除原子共振的激光沿一角度对原子束运动路径进行照射以使原子最终 无法到达塞曼冷却窗口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述照射光多于一束，各束照射激 光在不同位置沿同一方向进行照射，或者在不同位置沿不同但非相反的方向照射，或者 在同一位置沿不同但非相反的方向照射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照射光通过所述锶原子光钟系统中 用作二维准直的窗口进行照射。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述照射的区域为从所述原子炉的发 射口到所述磁光阱入口之间时，所述照射光为与87Sr以外其他同位素共振的激光；当所 述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射光为与锶原子 所有高丰度同位素共振的激光，或其中一种高丰度同位素共振的激光。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述与87&以外其他同位素共振的光为 与88Sr同位素共振的激光；所述与锶原子所有高丰度同位素共振的光为与87Sr以及86Sr和 88Sr共振的激光。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述照射的区域为从所 述原子炉的发射口到所述磁光阱入口之间，和从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之 间同时对原子运动路径进行照射。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述照射光照射方向与锶原子束运动的方向垂直。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述照射的区域为从所述原子炉的发射口到所述磁光阱入口之间时，所述激光的 中心波长为460.862nm，谱线宽度或扫描宽度为IOMHz ；当所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述激光的中 心波长为460.862nm，所述激光的谱线宽度或扫描宽度为百兆量级。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述照射的区域为从所述原子炉的发 射口到所述磁光阱入口之间时，所述照射光发射采用扫描方式，扫描范围10MHz，扫描速度至少为蔬(W，当所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射光发 射采用多频率光束合成方式。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述照射的区域为从所述原子 炉的发射口到所述磁光阱入口之间时，所述照射光在原子束方向上的作用长度至少为20df)米，其中，V为原子束纵向速度，R为塞曼冷却窗口半径，m为原子，S zSnkL(LW)为实际光强和饱和光强的比，τ为原子的跃迁几率，k为光子波矢，力为普朗克常数，L为照射光入射窗口到塞曼冷却窗口的长度；当所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射光在
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，照射光在原子束方向上的作用长度范 围为5mm到20mm之间。
12.—种锶原子光钟系统中去除原子在窗口沉积的装置，所述锶原子光钟系统中，在 原子束方向上成直线依次布设有用于发射原子束的原子炉、用于囚禁原子的磁光阱以及 塞曼冷却窗口，其特征在于，该装置包括激光器，用于发出与待清除原子共振的激光；以及光路调节设备，用于使激光器发出的激光能够在除所述磁光阱以外的从所述原子炉 的发射口到所述塞曼冷却窗口之间的至少一处区域内，沿一角度对原子运动路径进行照 射以使原子最终无法到达塞曼冷却窗口。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述光路调节设备还包括扩束装 置，用于对激光器发出的激光光束进行扩束。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述扩束装置为扩束透镜对，所述扩 束透镜对后者和前者的焦距比为希望得到的光束半径和原来的光束半径比，所述扩束透 镜对的每个透镜上镀有增透膜。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述光路调节设备中还包括半波 片，使半导体激光器发出的激光偏振方向发生旋转；偏振分光镜，使经半波片旋转后的激光光束经偏振分光镜后，一部分光被反射，在 其中一个照射区域内对所述原子束运动路径进行照射，另一部分光被透射在另一个照射 区域内对所述原子束运动路径进行照射。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述激光器发射的激光波长为 460.862nm。
17.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，当所述照射的区域为从所述原子炉的 发射口到所述磁光阱入口之间时，所述照射光为与87Sr以外其他同位素共振的激光；当 所述照射的区域为从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间时，所述照射光为与锶原 子所有高丰度同位素共振的激光，或其中一种高丰度同位素共振的激光。
18.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述与87&以外其他同位素共振的光 为与88Sr同位素共振的激光；所述与锶原子所有高丰度同位素共振的光为与87Sr以及86Sr 和88Sr共振的激光。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光路调节设备中还包括第 一、第二、第三和第四声光调制器，用于将光的中心频率增加或者减小一个固定值；第一声光驱动器，作为第一声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应88Sr跃迁 频率和激光器输出频率差；第二声光驱动器，作为第二声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应86Sr跃迁 频率和激光器输出频率差；第三声光驱动器，作为第三声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应87Sr跃迁 频率和激光器输出频率差；第四声光驱动器，作为第四声光调制器的电控部分，驱动信号中心频率对应88Sr跃迁 频率和激光器输出频率差。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四声光驱 动器，还分别增加一个用于扩大频谱宽度的调制，调制范围为10MHz，第一声光调制器2WRm(\+ S)扫描速度至少为佩L(LW)第二、第三和第四声光调制器的扫描速度为10k-100kHZ。
21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述光路调节设备中还包括分别 设置于所述声光调制器前后，用于聚焦激光束的第一凸透镜和第二凸透镜。
22.—种锶原子光钟中去除塞曼冷却窗口沉积的系统，其特征在于，在该系统中设置 权利要求12-21任意一项所述装置。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述照射光在从所述原子炉的发射口 到所述磁光阱入口之间区域通过所述锶原子光钟系统中用作二维准直的窗口进行照射； 在所述锶原子光钟系统中从所述磁光阱出口到所述塞曼冷却窗口之间的区域开一对窗 口，所述照射光通过所开窗口进行照射以使原子最终无法到达塞曼冷却窗口。
全文摘要
本发明公开一种锶原子光钟中去除原子在塞曼冷却窗口沉积的方法、装置和系统，所述锶原子光钟系统中，在原子束方向上成直线依次布设有用于发射原子束的原子炉、用于囚禁原子的磁光阱以及塞曼冷却窗口。在除所述磁光阱以外的从所述原子炉的发射口到所述塞曼冷却窗口之间的至少一处区域内，用待清除原子的共振光沿与锶原子束运动的方向成一角度对原子运动路径进行照射以使原子最终无法到达塞曼冷却窗口。本发明通过光照使原子产生横向速度，最终不能够达到塞曼冷却窗口，能够有效的去除原子光钟系统中原子在塞曼冷却窗口玻璃上的沉积，使窗口玻璃保持高的通光率。
文档编号G04F5/14GK102023563SQ20091009390
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者孟飞, 方占军, 林百科, 王少凯, 王强, 王民明 申请人:中国计量科学研究院