集激光冷却、选态和原子探测的微波腔的制作方法

本发明涉及原子钟，特别是一种应用于空间微重力环境，集激光冷却、选态和原子探测的微波腔，该微波腔可以简化原子钟结构，降低量子投影噪声和dick效应，提高原子钟理论极限稳定度的发明。

背景技术

1967年，秒定义被修改为原子秒，即以没有干扰的¹³³cs原子基态上两个超精细能级之间的9192631770个周期所持续的时间为一秒。各种以此发展的时间测量装置(原子钟)不断更新换代，不确定度和稳定度越来越高。随着科技的发展，科学研究和生产生活对时间测量的精度需求越来越高，并且这种需求还在提升，例如在卫星导航上，原子钟更是其中的核心要素，直接关系到定位的准确程度，时间的精密测量在金融、工业、以及军事上的应用关系到国家战略安全。

原子钟的性能提升以及冷原子的应用已经拓展到空间微重力环境，法国的pharao空间冷原子钟和中国的caces空间冷原子钟都是以冷原子为工作介质、同时运行环境为空间微重力平台，其中中国的空间冷原子钟已经成功发射并在轨运行，然而，无论是法国pharao还是中国的caces，其采用的微波腔结构都是矩形腔构成的环形微波腔，这种腔组成的冷原子钟，原子一般先在十四面体的冷却区冷却陷俘，再抛射至选态区选态，之后才进入环形微波腔和微波作用，两次微波作用后原子运动到探测区，探测得到钟信号。

一般情况下，在影响空间钟稳定度的几种噪声贡献中，量子投影噪声和dick效应引入的本振噪声占主要成分，它们分别与原子数和死时间比例有关，前述的环形微波腔结构，主要有以下几个问题：

1)原子数衰减较大。因为冷却选态和微波探询过程是分离的，原子在飞行过程中由于热膨胀和与背景气体碰撞会有较大损耗。

2)死时间比例较大。原子冷却陷俘、选态和探测区分离，需要的时间较多。

所以，环形微波腔的量子投影噪声和dick效应引入的本振噪声较大，原子钟的稳定度极限在左右。

技术实现要素：

为了更好地利用空间微重力环境，并且克服上述现有环形微波腔的问题，进一步提升原子钟整机性能，本发明提供一种集激光冷却、选态和原子探测的微波腔，将传统的激光冷却区、选态区、探测区与ramsey作用区分离的模式改进为一体化集成的工作方式，该装置与环形腔相比，原子钟的整体结构会更加简洁，有利于空间应用减轻重量，另外钟周期时间减小且死时间比例降低，dick效应贡献的噪声减小，在相同ramsey线宽的情况下，腔内冷却由于较短的钟周期，冷原子衰减时间更短，原子数损失更少，相应量子投影噪声更小。综合下来，这种微波腔设计具有更小量子投影噪声以及dick效应噪声优势，理论稳定度能进一步提高一个量级，是一种更具优势的微波腔结构设计方案。

本发明的技术解决方案如下：

一种集激光冷却、选态和原子探测的微波腔，其特点在于，包括微波腔主体、上端盖、下端盖和四个激光微波耦合结构；

所述的微波腔主体的内表面为圆柱形或矩形腔体，外侧面为八面体或其他多面体，所述的上端盖、下端盖分别安装在微波腔主体的上下两端，两端盖沿中轴线分别设有两个激光馈入通道，在两端盖上还设有原子通道，所述的原子通道的轴线与激光馈入通道的轴线成夹角β，该夹角的范围为0°<β<75°，在所述的微波腔主体的周侧均匀地设有四个侧孔，在每两个相邻的侧孔之间的同一平面内均设有一个荧光探测窗口，所述的荧光探测窗口真空密封地安装有荧光透镜，微波腔谐振频率的精细调节通过精细研磨上端盖面和下端盖面实现；

在所述的微波腔主体的四周与所述的侧孔相对分别有一个所述的激光微波耦合结构，该激光微波耦合结构为矩形微波波导，在其上端面开设上孔，内置反射镜，输入的激光经所述的上孔、反射镜和侧孔进入所述的微波腔主体内，在所述的激光微波耦合结构外侧面设有微波耦合孔。

所述的上端盖、下端盖和微波腔主体构成的内表面尺寸由工作的微波模式确定一个范围，以保证在腔内只有一种驻波模式。

该微波腔和其他原子钟结构组成真空密封结构，原子通过端盖上的原子通道7进入微波腔内，被六束通过激光微波耦合结构5馈入的激光冷却陷俘，接着在腔内经过微波激光选态，选态原子再在腔内进行ramsey过程，之后再在探测光作用后，通过荧光收集透镜得到原子上下能级信号，完成一次钟周期。

从上述过程可以看出本发明的技术效果在于：

1)本发明使空间原子钟结构大为简化。通过把激光馈入通道和微波馈入口结合，在实现微波腔内冷却的情况下，又对微波没有产生明显的影响，使整体钟结构更为简洁有效，体积重量得到压缩，实现小型化集成,有利于原子钟的空间应用。

2)可以有效降低量子投影噪声。这种微波腔结构原子的冷却、选态、探询和探测都在同一个腔里，原子热膨胀之后不受探测和路径窗口剪切作用，原子数损失相对减小至少一个量级。

3)可以有效降低dick效应。相比于传统柱型腔和环形腔，这种集成激光冷却的微波腔死时间(钟周期中除去ramsey作用之外的时间)比例可以减小3倍以上，可以明显降低dick效应本地振荡器带来的噪声。

附图说明

图1是集激光冷却、选态和原子探测的微波腔的立体图

图2是激光激光冷却、选态和探测的微波腔的中轴线截面图。

图3是本发明集激光冷却、选态和原子探测的微波腔的功能示意图,用于描述该微波腔结构实施方式。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1、图2，由图可见，本发明集激光冷却、选态和原子探测的微波腔，包括微波腔主体11、上端盖2、下端盖6和四个激光微波耦合结构5；

所述的微波腔主体11的内表面为圆柱形或矩形腔体，外侧面为八面体或其他多面体，所述的上端盖2、下端盖6分别安装在微波腔主体11的上下两端，两端盖沿中轴线分别设有两个激光馈入通道3，在两端盖上还设有原子通道7，所述的原子通道7的轴线与激光馈入通道3的轴线成夹角β，该夹角的范围为0°<β<75°，在所述的微波腔主体的周侧均匀地设有四个侧孔10，在每两个相邻的侧孔10之间的同一平面内均设有一个荧光探测窗口8，所述的荧光探测窗口8真空密封地安装有荧光透镜，微波腔谐振频率的精细调节通过精细研磨上端盖面2和下端盖面6实现；

在所述的微波腔主体11的四周与所述的侧孔10相对分别有一个所述的激光微波耦合结构5，该激光微波耦合结构5为矩形微波波导，在其上端面开设上孔3，内置反射镜4，输入的激光经所述的上孔3、反射镜4和侧孔10进入所述的微波腔主体11内，在所述的激光微波耦合结构(5)外侧面设有微波耦合孔9。

所述的上端盖2、下端盖6和微波腔主体11构成的内表面尺寸由工作的微波模式确定一个范围，以保证在腔内只有一种驻波模式。

参考图3。图3是本发明集激光冷却、选态和原子探测的微波腔的示意图。原子钟钟周期过程包括原子冷却陷俘、选态、微波探询和探测，在原子冷却陷俘过程中，通过该发明的激光微波耦合结构5馈入六束红失谐冷却激光，原子冷却陷俘后，再通过激光微波耦合结构5馈入选态微波，将原子制备到所需要的磁子能级上，接着复用一束冷却光通道作为选态光入口，将不需要的磁子能级上的原子推送走，然后再通过激光微波耦合结构5馈入ramsey作用的微波，两次微波与原子作用后，复用一路冷却光通道馈入探测光，与对射反射回来的光形成驻波光场，对原子上能级进行探测，通过荧光探测窗口8的光电管收集荧光信号，再关闭探测光，打开重泵光将下能级原子全部抽运到上能级，重复前面的上能级探测过程，得到下能级原子数荧光信号，由此，完成整个钟周期。通过钟周期过程可以看出,因为原子在进入微波腔后始终处于腔内,原子热膨胀增加的体积不会受到飞行路径的剪切,极大的保存了原子数,另外因为少了飞行过程,原子在ramsey作用前后的冷却、态制备和态探测时间可以得到极大压缩,这样死时间比例也得到极大减小。

荧光探测窗口8是荧光探测透镜和光电管的安装窗口，对称的两个或者四个荧光探测窗口可以提高荧光收集效率。

本发明的具体使用方法是：

初步冷却后的原子团经过原子通道7进入微波腔，通过该发明的激光微波耦合结构5馈入六束红失谐冷却激光，原子冷却陷俘后，再通过激光微波耦合结构5馈入选态微波，将原子制备到所需要的磁子能级上，接着复用一束冷却光通道作为选态光入口，将不需要的磁子能级上的原子推送走，然后再通过激光微波耦合结构5馈入ramsey作用的微波，两次微波与原子作用后，复用一路冷却光通道耦合进入探测光，与对射反射回来的光形成驻波光场，对原子上能级进行探测，通过荧光探测窗口8的光电管收集荧光信号，再关闭探测光，打开重泵光将下能级原子全部抽运到上能级，重复前面的上能级探测过程，得到下能级原子数荧光信号，由此，通过该发明就完成了原子钟的整个钟周期。高度集成的微波腔，简化了原子钟物理系统，提升了理论上的极限性能，十分有利于空间应用。