一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法，涉及冷原子频标技术领域，本发明专利技术装置由内向外包括中心部分，中心部分为冷原子物理部分，外部为所需的光电部分和微波部分，其中冷原子物理由内到外包括冷原子团、光晶格、微波腔、真空系统和平凸光学谐振腔；所需的光电部分包括冷却光、再抽运光和抽运光、囚禁光、腔频探测光、滤光片、腔频探测器；本发明专利技术方法首次原创性地提出积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟的实现方案，交叉融合了自旋压缩态技术、积分球冷原子钟技术和光晶格囚禁技术，突破传统方案中标准量子噪声极限对频率稳定度限制的技术瓶颈和解决传统方案相干时间短的问题，显著提高积分球冷原子钟的频率稳定度。稳定度。稳定度。

【技术实现步骤摘要】
一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法


[0001]本专利技术涉及冷原子频标
，特别涉及一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法。

技术介绍

[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，其中积分球冷原子种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，采用新原理、新方法不断提高精度指标；另一方面，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，然而积分球冷原子钟目前主要受限于原子传统的自旋相干态产生的鉴频曲线具有的标准量子噪声极限，存在频率稳定度难以继续提高的技术瓶颈，这就导致其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，目前面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高其频率稳定度的量子技术研究尚处于空白阶段，因此亟需通过交叉融合等研究方式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；为此，我们提出一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法，旨在突破传统的原子自旋相干态的标准量子噪声极限，并解决现有技术中所存在的频率稳定度难以继续提高等问题，为进一步研制超高精度的积分球冷原子钟做好技术储备。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，所述积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置由内向外包括中心部分，所述中心部分为冷原子物理部分，所述外部为所需的光电部分和微波部分，其中冷原子物理由内到外包括冷原子团、光晶格、微波腔、真空系统和平凸光学谐振腔；所述所需的光电部分
包括冷却光、再抽运光和抽运光、囚禁光、腔频探测光、滤光片、腔频探测器、0
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反射镜、钟信号探测光、45
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反射镜和光电探测器；所述微波部分包括钟信号、伺服电路、伺服信号、本地振荡器、微波链路、GHz信号和输出信号。
[0006]优选地，所述物理部分中，冷原子团作为核心研究对象，微波腔同时进行漫反射激光冷却和提供微波场与冷原子进行相互作用，平凸光学谐振腔形成光晶格对冷原子进行长时间囚禁，避免扩散和向下的自由落体运动，真空系统为冷原子提供高真空贮存环境，避免碰撞耗散作用。
[0007]优选地，所述光学部分中，冷却光、再抽运光和抽运光三种光束都以一定发散角注入进微波腔中，形成漫反射的各向同性光场，其中冷却光会对冷原子的基态上能级进行激光冷却，再抽运光可以将基态下能级的原子抽运至基态上能级从而也被冷却，抽运光再将处于基态上能级的冷原子抽运至基态下能级，达到态制备的效果；囚禁光会注入进物理部分中的平凸光学谐振腔中形成光晶格，以此囚禁冷原子团；腔频探测光也会注入进平凸光学谐振腔，对冷原子进行量子非破坏性测量，从而实现制备量子自旋压缩态；滤光片会阻挡穿过光学谐振腔的囚禁光进入腔频探测器中，以此避免其对腔频探测光的影响；腔频探测器作为腔频探测光的检测装置，主要用来识别冷原子作为光腔介质对光腔谐振频率的影响；0
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反射镜主要用来反射钟信号探测光，对冷原子进行双向探测，避免探测光对冷原子的加热效果；钟信号探测光主要基于吸收探测法，通过检测其光强变化来判断出冷原子数目或者密度；45
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反射镜用来反射钟信号探测光，可将其垂直注入进上方微波腔中；光电探测器可接收与冷原子相互作用后透射的钟信号探测光，钟信号探测光光强本底减去透射后的钟信号探测光光强即为被吸收的钟信号探测光光强。
[0008]优选地，所述微波部分中，钟信号作为整钟闭环锁定时必需的信号，主要通过冷原子与微波分离振荡场相互作用获取，体现在被吸收的钟信号探测光光强上，所述伺服电路将钟信号进行处理，形成过零点的误差信号，而误差信号被进一步通过PID算法形成伺服信号，所述本地振荡器主要提供射频信号，输出两路，一路通过微波链路倍频成GHz信号进入物理部分，另一路作为输出信号，表征整钟的闭环锁定的性能特性。
[0009]优选地，所述微波部分中，微波链路接收本地振荡器的射频信号，将其倍频成与原子基态能级谐振的GHz信号，GHz信号通过微波线缆注入进微波腔中，进而在微波腔中形成微波场与冷原子进行相互作用，输出信号作为本地振荡器也即整钟的输出信号，与标准信号进行比较，从而得到输出信号的频率稳定度特性。
[0010]一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟方法，包括如下阶段：
[0011]Step1：漫反射激光冷却阶段；
[0012]Step2：态制备阶段；
[0013]Step3：制备自旋相干态阶段；
[0014]Step4：制备自旋压缩态阶段；
[0015]Step5：自旋90度旋转阶段；
[0016]Step6：量子态自由演化阶段；
[0017]Step7：自旋编码进态布居阶段；
[0018]Step8：探测阶段；
[0019]Step9：整钟闭环锁定阶段。
[0020]优选地，所述Step1漫反射激光冷却阶段，在漫反射激光冷却时间内，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使用冷原子一直保持在该能级；所述Step2态制备阶段，在之后的态制备时间内，抽运光统一将基态上能级的原子制备至基态下能级，为进行量子自旋压缩态制备和分离振荡场相互作用过程做准备。
[0021]优选地，所述Step3制备自旋相干态阶段当冷原子均处于基态下能级后，利用平凸光学谐振腔形成光晶格对冷原子进行装载和囚禁，之后在第一次微波脉冲相互作用内，冷原子与微波进行第一次π/2相互作用形成自旋相干态；所述Step4制备自旋压缩态阶段，在自旋相干态的基础上，在自旋压缩态制备时间内，开始制备自旋压缩态；所述Step5中自旋90本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，其特征在于：所述积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置由内向外包括中心部分，所述中心部分为冷原子物理部分，所述外部为所需的光电部分和微波部分，其中冷原子物理由内到外包括冷原子团、光晶格、微波腔、真空系统和平凸光学谐振腔；所述所需的光电部分包括冷却光、再抽运光和抽运光、囚禁光、腔频探测光、滤光片、腔频探测器、0
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反射镜、钟信号探测光、45
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反射镜和光电探测器；所述微波部分包括钟信号、伺服电路、伺服信号、本地振荡器、微波链路、GHz信号和输出信号。2.根据权利要求1所述的一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，其特征在于：所述物理部分中，冷原子团作为核心研究对象，微波腔同时进行漫反射激光冷却和提供微波场与冷原子进行相互作用，平凸光学谐振腔形成光晶格对冷原子进行长时间囚禁，避免扩散和向下的自由落体运动，真空系统为冷原子提供高真空贮存环境，避免碰撞耗散作用。3.根据权利要求1所述的一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，其特征在于：所述光学部分中，冷却光、再抽运光和抽运光三种光束都以一定发散角注入进微波腔中，形成漫反射的各向同性光场。4.根据权利要求1所述的一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，其特征在于：所述微波部分中，钟信号作为整钟闭环锁定时必需的信号，主要通过冷原子与微波分离振荡场相互作用获取，体现在被吸收的钟信号探测光光强上，所述伺服电路将钟信号进行处理，形成过零点的误差信号，而误差信号被进一步通过PID算法形成伺服信号，所述本地振荡器主要提供射频信号，输出两路，一路通过微波链路倍频成GHz信号进入物理部分，另一路作为输出信号，表征整钟的闭环锁定的性能特性。5.根据权利要求4所述的一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，其特征在于：所述微波部分中，微波链路接收本地振荡器的射频信号，将其倍频成与原子基态能级谐振的GHz信号，GHz信号通过微波线缆注入进微波腔中，进而在微波腔中形成微波场与冷原子进行相互作用，输出信号作为本地振荡器也即整钟的输出信号，与标准信号进行比较，从而得到输出信号的频率稳定度特性。6.一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟方法，其特征在于，包括如下阶段：Step1：漫反射激光冷却阶段；Step2：态制备阶段...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀梅，陈景标，何进，王亮，刘亚轩，高连山，李春来，胡国庆，
申请(专利权)人：深港产学研基地北京大学香港科技大学深圳研修院，
类型：发明
国别省市：