基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟及其应用方法与流程

1.本发明涉及原子钟设备技术领域，尤其是涉及一种基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟及其应用方法。


背景技术：

2.相干布居囚禁(coherent population trapping，cpt)是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象，在原子体系中制备相干布居囚禁态，可实现芯片式的新型cpt原子钟，其优势之一就是不需要微波腔，可以明显减少体积，cpt原子钟从提出到现在，已经得到了巨大的发展，已显示出其优越的性能。
3.激光冷却技术可以将热原子冷却到接近绝对零度，使原子的运动速度降到大约几米每秒，能级结构更加稳定，可以大幅提高测量的准确度继而提高原子钟的性能。
4.传统cpt原子钟是以热原子气室设计并制作的，原子的热运动会引起跃迁谱线的多普勒频移和展宽，原子与容器器壁的碰撞会引起谱线的碰撞频移和展宽，从而对原子钟的精确度和长期稳定度产生不利影响。
5.运用激光冷却技术可得到接近于静止的、原子之间几乎没有相互作用的原子样品，以冷原子为工作介质的冷cpt原子钟，可以大幅降低多普勒频移和展宽，可提高测量精度。
6.虽然冷cpt原子钟具有高的频率稳定和精确度等优势，但是冷cpt原子钟整体装置体积较大，光路结构复杂，不宜搬运，很难实现小型化。
7.因此，急需提供一种基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟及其应用方法，以在一定程度上解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟及其应用方法，以在一定程度上优化冷原子钟结构，降低整体装置体积。
9.本发明提供的一种基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟，包括光栅磁光阱、探测系统、磁屏蔽系统以及原子源；所述磁屏蔽系统包括第一磁屏蔽机构和设置于所述第一磁屏蔽机构内的第二磁屏蔽机构；所述光栅磁光阱包括位于第二磁屏蔽机构内的真空腔、设置于所述真空腔内的底部的光栅芯片、设置于所述真空腔上下两侧的一对反亥姆霍兹线圈以及设置于所述第一磁屏蔽机构内，且位于所述第二磁屏蔽机构上侧的入射光组件，所述第二磁屏蔽机构对应所述入射光组件的位置形成有第一通光部，所述原子源的一端接入所述真空腔内；所述探测系统包括沿第一方向相对设置于所述第二磁屏蔽机构两侧的探测光组件和反射组件、对应所述探测光组件设置的探测器以及沿所述第一方向相对设置于所述真空腔两侧的一对亥姆霍兹线圈，所述第二磁屏蔽机构对应所述探测光组件的位置形成第二通光部，对应所述反射组件的位置形成有第三通光部。
10.其中，所述入射光组件包括沿第二方向依次设置的耦合光源光纤、凸透镜以及第
一波片；所述真空腔在第二方向上的轴线与所述耦合光源光纤、所述凸透镜、所述第一波片以及所述反亥姆霍兹线圈的轴线共线。
11.具体地，所述探测光组件包括沿所述第一方向依次设置的探测光光纤、分光棱镜以及第二波片；所述反射组件包括沿所述第一方向依次设置的第三波片和反光镜；所述探测光光纤、所述分光棱镜、所述第二波片、所述第三波片以及所述反光镜在第一方向上的轴线与所述真空腔在第一方向上的轴线共线；所述探测器与所述分光棱镜对应设置，且所述探测器位于所述分光棱镜的下侧。
12.进一步地，所述第一波片、所述第二波片以及所述第三波片均为四分之一波片。
13.其中，本发明提供的基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟，还包括真空系统，所述真空系统包括真空导管和离子泵；所述离子泵设置于所述第一磁屏蔽机构外侧，所述真空导管的一端与所述离子泵相连接，另一端与所述真空腔相连通。
14.具体地，所述真空腔由玻璃材料制成，且所述真空腔为长方体结构，通过所述离子泵使所述真空腔内的真空度保持在10-7
pa-10-9
pa量级。
15.其中，所述第一磁屏蔽机构和所述第二磁屏蔽机构均包括端盖和磁屏蔽筒；所述磁屏蔽筒为圆柱体结构，所述磁屏蔽筒的一端形成有开口部，所述端盖封堵于所述开口部，且所述端盖与所述磁屏蔽筒可拆卸连接。
16.具体地，所述光栅芯片由硅基镀金材料制成，且所述光栅芯片上刻有衍射凹槽。
17.进一步地，所述耦合光源光纤为冷却光和再泵浦光耦合光纤。
18.相对于现有技术，本发明提供的冷原子钟具有以下优势：
19.本发明提供的基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟，包括光栅磁光阱、探测系统、磁屏蔽系统以及原子源；磁屏蔽系统包括第一磁屏蔽机构和设置于第一磁屏蔽机构内的第二磁屏蔽机构；光栅磁光阱包括位于第二磁屏蔽机构内的真空腔、设置于真空腔内的底部的光栅芯片、设置于真空腔上下两侧的一对反亥姆霍兹线圈以及设置于第一磁屏蔽机构内，且位于第二磁屏蔽机构上侧的入射光组件，第二磁屏蔽机构对应入射光组件的位置形成有第一通光部，原子源的一端接入真空腔内；探测系统包括沿第一方向相对设置于第二磁屏蔽机构两侧的探测光组件和反射组件以及沿第一方向相对设置于真空腔两侧的一对亥姆霍兹线圈，第二磁屏蔽机构对应探测光组件的位置形成第二通光部，对应反射组件的位置形成有第三通光部。
20.由此分析可知，通过第一磁屏蔽机构和第二磁屏蔽机构能够在一定程度上避免光栅磁光阱和探测系统受外界杂磁场的影响。通过入射光组件，能够发射入射光，且入射光通过第二磁屏蔽机构上形成的第一通光部射入真空腔内。
21.由于真空腔内的底部设有光栅芯片，因此，通过光栅芯片能够实现入射光的衍射。通过位于真空腔上下两侧相对设置的一对反亥姆霍兹线圈，能够为真空腔内提供10gs/cm的梯度磁场。由于衍射光能够与入射光汇聚，因此，通过汇聚后的光束以及反亥姆霍兹线圈形成的梯度磁场，能够将原子源注入真空腔内的原子进行冷却俘陷。
22.而通过沿第一方向设置的探测光组件能够产生探测光，探测光由第二通光部进入真空腔，实现探测光与冷原子的相互作用。经过冷原子的探测光沿第一方向射向反射组件，通过反射组件的反射，使探测光再次回到探测光组件处，从而通过探测器能够对信号进行探测。
23.因此，具有本技术提供的布置方式的冷原子钟，一方面简化了磁光阱的光路结构，缩小了磁光阱的体积，从而使冷原子物理系统更加紧凑和小型化。
24.此外，本发明还提供一种基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟的应用方法，包括如下步骤：步骤s100、开启入射光组件及反亥姆霍兹线圈，所述入射光组件射出入射光，所述入射光经过第一通光部垂直进入真空腔内到达光栅芯片，经由所述光栅芯片产生三束衍射光，且三束衍射光与所述入射光汇聚，捕获并冷却所述真空腔内原子源注入的原子；步骤s200、关闭所述入射光组件，同时，打开探测光组件，所述探测光组件发射的探测光经由第二通光部进入所述真空腔，并与冷却的所述原子第一次相互作用；步骤s300、关闭所述探测光组件，等待所述原子自由运动一段时间后，再次打开所述探测光组件，使发出的探测光第二次与所述原子相互作用，对光进行探测，实现冷原子钟的锁定。
25.上述步骤采用本技术提供的基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟，能够实现热原子向冷原子的能级跃迁以及信号的探测，从而实现更好精度的时间频率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟的整体结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的基于光栅芯片的相干布居囚禁冷原子钟的应用方法流程示意图。
29.图中：1-探测光光纤；2-光栅芯片；3-反亥姆霍兹线圈；4-第一磁屏蔽机构；5-第二磁屏蔽机构；501-第一通光部；502-第二通光部；503-第三通光部；6-耦合光源光纤；7-亥姆霍兹线圈；8-探测器；9-真空导管；10-离子泵；11-真空腔；12-分光棱镜；13-原子源；14-第一波片；15-凸透镜；16-第二波片；17-反光镜；18-第三波片。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
33.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。
35.为了易于描述，在这里可使用诸如“在
……
之上”、“上部”、“在
……
之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。
36.在此使用的术语仅用于描述各种示例，并非用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。
37.由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。
38.这里所描述的示例的特征可按照在理解本技术的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本技术的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
39.如图1所示，本发明提供一种基于光栅芯片2的相干布居囚禁的冷原子钟，包括光栅磁光阱、探测系统、磁屏蔽系统以及原子源13；磁屏蔽系统包括第一磁屏蔽机构4和设置于第一磁屏蔽机构4内的第二磁屏蔽机构5；光栅磁光阱包括位于第二磁屏蔽机构5内的真空腔11、设置于真空腔11内的底部的光栅芯片2、设置于真空腔11上下两侧的一对反亥姆霍兹线圈3以及设置于第一磁屏蔽机构4内，且位于第二磁屏蔽机构5上侧的入射光组件，第二磁屏蔽机构5对应入射光组件的位置形成有第一通光部501，原子源13的一端接入真空腔11内；探测系统包括沿第一方向s1相对设置于第二磁屏蔽机构5两侧的探测光组件和反射组件、对应探测光组件设置的探测器8以及沿第一方向s1相对设置于真空腔11两侧的一对亥姆霍兹线圈7，第二磁屏蔽机构5对应探测光组件的位置形成第二通光部502，对应反射组件的位置形成有第三通光部503。
40.相对于现有技术，本发明提供的冷原子钟具有以下优势：
41.本发明提供的基于光栅芯片2的相干布居囚禁的冷原子钟，通过第一磁屏蔽机构4
和第二磁屏蔽机构5能够在一定程度上避免光栅磁光阱和探测系统受外界杂磁场的影响。通过入射光组件，能够发射入射光，且入射光通过第二磁屏蔽机构5上形成的第一通光部501射入真空腔11内。
42.由于真空腔11内的底部设有光栅芯片2，因此，通过光栅芯片2能够实现入射光的衍射。通过位于真空腔11上下两侧相对设置的一对反亥姆霍兹线圈3，能够为真空腔11内提供10gs/cm的梯度磁场。由于衍射光能够与入射光汇聚，因此，通过汇聚后的光束以及反亥姆霍兹线圈3形成的梯度磁场，能够将原子源13注入真空腔11内的原子进行冷却俘陷。
43.由于原子能够吸收光子，因此，本技术中入射光中的光子频率略低于捕获的原子的频率，当原子将入射光的低频光子吸收后，能够发出高频光子，而在此过程中，能够使原子不断冷却，从而实现能级跃迁，将热原子冷却成为冷原子。
44.而通过沿第一方向s1设置的探测光组件能够产生探测光，探测光由第二通光部502进入真空腔11，实现探测光与冷原子的相互作用。经过冷原子的探测光沿第一方向s1射向反射组件，通过反射组件的反射，使探测光再次回到探测光组件处，从而通过探测器8能够对信号进行探测。
45.因此，具有本技术提供的布置方式的冷原子钟，一方面简化了磁光阱的光路结构，缩小了磁光阱的体积，从而使冷原子钟整个物理系统更加紧凑和小型化，进而实现更高精度的时间频率。
46.此处需要补充说明的是，优选地，本技术中原子源13向真空腔11内填充的原子为铷原子，相应地，本技术中冷却光和再泵浦光耦合的相干光在捕获原子的位置的频率为384.230484thz。
47.可选地，本技术中位于真空腔11上下两侧的一对反亥姆霍兹线圈3为两个直径200mm，且高度为24mm，并通有相反方向电流的线圈。优选地，本技术中的两个反亥姆霍兹线圈3通过四个支撑柱相连接。由于两个反亥姆霍兹线圈3之间的距离与直径相等，因此，能够提供均匀磁场。
48.可选地，本技术中的光栅芯片2由硅基镀金材料制成，且为20mm*20mm的正方形，光栅芯片2的表面刻有衍射凹槽，使本技术中的光栅芯片2具有较高的衍射效率，且最佳衍射角为30
°
，从而能够保证冷却光和再泵浦光耦合形成的相干光垂直照射至光栅芯片2后，能够产生高效率的衍射光束，进而在一定程度上提高对原子的捕获、囚禁以及冷却的能力。
49.可以理解的是，在实际应用时，本技术中的入射光通过光栅芯片2衍射后形成的衍射角会出现误差，使衍射角略小于30
°
或略大于30
°
。而本技术提供的光栅芯片2代替了传统的六束激光对射结构，使磁光阱的结构得到较大程度上的简化，而较高的衍射效率保证了冷却和捕获原子的数量。
50.可选地，本技术中的真空腔11由玻璃材料制成，且真空腔11的尺寸为3cm*3cm*9cm，一方面利于整体结构的小型化，另一方面，通过与真空腔11相连接的真空导管9和离子泵10能够将真空腔11内的真空度始终保持在10-7
pa-10-9
pa量级。而通过本技术中的玻璃真空腔11的小体积以及超高真空度，能够在一定程度上保证冷却光和再泵浦光形成的相干光和探测光能够在功率损耗较小的情况下与原子发生作用。
51.可选地，本技术中的一对亥姆霍兹线圈7均采用铜导线缠绕，且骨架为塑料，能够在囚禁和冷却原子的工作位置提供磁场强度为50mgs的均匀磁场，且平行于探测光的传播
方向，从而在探测光进行探测时，使原子能够进行塞曼分裂。
52.如图1所示，本技术中的入射光组件包括沿第二方向s2依次设置的耦合光源光纤6、凸透镜15以及第一波片14；真空腔11在第二方向s2上的轴线与耦合光源光纤6、凸透镜15、第一波片14以及反亥姆霍兹线圈3的轴线共线。
53.通过沿第二方向s2依次设置的耦合光源光纤6、凸透镜15以及第一波片14能够向光栅芯片2发射竖直的入射光，从而通过光栅芯片2能够形成三束衍射光，进而与入射光汇聚，实现对原子的捕获和冷却。
54.优选地，本技术中的耦合光源光纤6为冷却光和再泵浦光光纤，能够形成冷却光和再泵浦光的耦合线偏振光或椭圆偏振光，通过凸透镜15得到扩束，而本技术中冷却光和再泵浦光光纤发出约1mm的光束，经过凸透镜15的扩束后，能够形成宽度不小于20mm的入射光束。
55.由于本技术中第一波片14为四分之一波片，因此，能够将扩束后的线偏振光或椭圆偏振光转化成圆偏振相干光，并以圆偏振相干光的形式穿过第一通光部501，进入真空腔11内并到达光栅芯片2。经过光栅芯片2的衍射，能够形成三束衍射光，并与垂直射入的入射光汇聚，从而通过四束激光实现对原子的捕获和冷却。
56.如图1所示，本技术中的探测光组件包括沿第一方向s1依次设置的探测光光纤1、分光棱镜12以及第二波片16；反射组件包括沿第一方向s1依次设置的第三波片18和反光镜17；探测光光纤1、分光棱镜12、第二波片16、第三波片18以及反光镜17在第一方向s1上的轴线与真空腔11在第一方向s1上的轴线共线；探测器8与分光棱镜12对应设置，且探测器8位于分光棱镜12的下侧。
57.本技术中探测光光纤1发出的探测光为线偏振光，由于本技术中的第二波片16和第三波片18均为四分之一波片，因此，探测光经过第二波片16能够转变成左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，左旋或右旋的圆偏振光通过第二通光部502进入真空腔11内，并由第三通光部503到达反光镜17。反光镜17将探测光反射，经过第三波片18能够改变入射的探测光的旋转方向，换向后的圆偏振光经过第二通光部502进入探测器8，实现信号的探测。
58.由于冷原子的运动速度非常小，平均速度可达到几厘米每秒，从而使由速度带来的多普勒加宽非常小，所以冷原子的能级精度远远优于热原子，进而能够输出更为精确的频率。因此，本技术中探测系统所探测的为经过冷却后的冷原子，从而能够实现高稳定度的冷原子钟。
59.此处需要补充说明的是，本技术中探测光光纤1发出的探测光透过分光棱镜12与囚禁的原子作用，利用反光镜17使作用后的探测光通过分光棱镜12反射进入探测器8，从而能够很大程度的抑制多普勒频移，得到更加精确的钟信号。
60.可选地，本技术中的探测光为cpt双色光，即相位差恒定的双频率光场。在传统微波频段原子钟中，需要微波谐振腔使微波与原子相互作用。而基于cpt的原子钟的两相干光场频率差包含了微波频段的边带，因此，采用cpt双色光使原子钟的体积不再受到微波谐振腔的限制，从而更利于整体装置的小型化。
61.优选地，本技术中的第一磁屏蔽机构4和第二磁屏蔽机构5均包括端盖和磁屏蔽筒；磁屏蔽筒由波莫合金制成，且为圆柱体结构，磁屏蔽筒的一端形成有开口部，端盖封堵于开口部，且端盖与磁屏蔽筒可拆卸连接。
62.此外，如图2所示，本发明还提供一种基于光栅芯片2的相干布居囚禁的冷原子钟的应用方法，包括如下步骤：步骤s100、开启入射光组件及反亥姆霍兹线圈3，入射光组件射出入射光，入射光经过第一通光部501垂直进入真空腔11内到达光栅芯片2，经由光栅芯片2产生三束衍射光，且三束衍射光与入射光汇聚，捕获并冷却真空腔11内原子源13注入的原子；步骤s200、关闭入射光组件，同时，打开探测光组件，探测光组件发射的探测光经由第二通光部502进入真空腔11，并与冷却的原子第一次相互作用；步骤s300、关闭探测光组件，等待原子自由运动一段时间后，再次打开探测光组件，使发出的探测光第二次与原子相互作用，对光进行探测，实现冷原子钟的锁定。
63.本技术提供的基于光栅芯片2的相干布居囚禁的冷原子钟工作时，首先开启光栅磁光阱，使冷却光和再泵浦光耦合的线偏振光经过凸透镜15的扩束进入第一波片14，并通过第一波片14形成圆偏振宽束相干光，圆偏振宽束相干光经过第一通光部501进入真空腔11，垂直照射至光栅芯片2上，通过光栅芯片2衍射形成三束衍射光，并与入射光汇聚捕获原子源13向真空腔11内注入的铷原子，并将铷原子囚禁和冷却。在此阶段中，真空腔11上下两侧设置的一对反亥姆霍兹线圈3为真空腔11内提供10gs/cm的梯度磁场，且第一磁屏蔽机构4和第二磁屏蔽机构5保证内部磁场不受外界杂磁场干扰，真空系统保证真空腔11内的真空度始终在10-7
pa-10-9
量级。
64.之后，关闭光栅磁光阱，开启探测系统的探测光光纤1，探测光光纤1发出线偏振光，经过第二波片16转化成左旋或右旋的圆偏振光，并经过第二通光部502进入真空腔11内与囚禁的冷原子进行第一次相互作用。
65.最后，关闭探测光光纤1，等待原子自由运动一段时间后，再次打开探测光光纤1，使探测光与原子第二次相互作用，通过反射组件将作用后的探测光反射至分光棱镜12，通过分光棱镜12将探测光反射进入探测器8，实现对信号的探测。
66.此处需要补充说明的是，当关闭光栅磁光阱开启探测系统时，反亥姆霍兹线圈3关闭，亥姆霍兹线圈7开启。
67.上述步骤采用本技术提供的基于光栅芯片2的相干布居囚禁的冷原子钟，能够实现热原子向冷原子的能级跃迁以及信号的探测，从而实现更好精度的时间频率。
68.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。