单电子原子光钟及其制备方法

单电子原子光钟及其制备方法
【专利摘要】本发明属于原子钟与频率标【技术领域】，具体涉及一种单电子原子光钟及其制备方法。本发明技术方案是利用单电子原子基态到第2激发态之间的激光频段的跃迁作为光频段的量子频率标准，在结合光梳得频率传递后实现的光钟。该方案中，以铯原子为例，可利用铯原子第2激发态的窄谱线宽特性，在线圈产生的外磁场中磁子能级可以被分解出来，用于激光稳频。磁场与原子炉的温度可以进行控制来优化系统处于良好的工作状态。加上系统外壳设计，可以屏蔽掉外界的电磁干扰。通过调节半导体激光器的电流、温度与控制腔长的压电陶瓷电压来将激光的最终输出频率稳定在铯原子的6S到7P1/2的459nm或6S到7P3/2的455nm的波长跃迁谱线上。
【专利说明】单电子原子光钟及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于原子钟与频率标【技术领域】，具体涉及一种单电子原子光钟及其制备方法，该单电子原子光钟为单电子原子高激发态跃迁能级的光频原子钟。
【背景技术】
[0002]目前原子钟按工作频率的不同分为微波原子钟和光频原子钟两大类。微波原子钟的原子跃迁频率在微波频段，而被称为光钟的光频原子钟是利用原子能级间的光频段跃迁来实现的。具体而言，微波原子钟必须用微波与原子相作用，然后稳频；而光钟是用稳频后的激光来与原子的钟跃迁能级相互作用来稳频。在目前最常用的几种微波原子钟里面，其中之一就是微波铯原子钟。由于现在国际上只用铯原子做微波钟，从来没有见报道过用铯做光钟，所以常常把“微波铯原子钟”直接叫做“铯钟”。尽管有的微波铯原子钟也用激光来实现其中的能态制备与探测，但其实现的钟跃迁只不过是总所周知的用于定义国际单位制中“秒”定义的9.192631770GHz的微波跃迁。而在完全不涉及原子的微波的情况下如何提供一种利用铯原子等单电子原子来实现的光钟，暂无相关报道与发明。

【发明内容】

[0003](一)要解决的技术问题
[0004]本发明要解决的技术问题是:如何在完全不涉及原子的微波下提供一种利用铯原子等单电子原子实现的光钟及方法，要求其可以实现长期稳定工作的光频量子频率标准。
[0005](二)技术方案
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种单电子原子光钟，所述光钟包括:真空腔室
1、单电子原子束发生装置2、激光器3、控制电路装置4、频率调节器5、第一探测器6、第二探测器7以及光梳9 ;其中，
[0007]所述真空腔室1，其外连有真空泵装置，其上设有光窗组，所述光窗组包含两个光窗8，所述两个光窗8在所述真空腔室I的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器3激光输出光束的路径；
[0008]所述单电子原子束发生装置2，其设置于所述真空腔室I中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置2产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束；
[0009]所述激光器3，其设置于所述真空腔室I外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗8射入并透射出真空腔室1，且在真空腔室I内部与所述单电子原子束正交相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置4控制所述激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压；
[0010]所述频率调节器5用于将激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，从而使得第一探测器6及第二探测器7能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器5受控制电路装置4控制来执行其职能；
[0011]所述第一探测器6，其设置于真空腔室I外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室I透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；
[0012]所述第二探测器7，其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的突光；
[0013]所述控制电路装置4，其用于接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0014]所述光梳9，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳9用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0015]此外，本发明还提供一种单电子原子光钟，所述光钟包括:
[0016]玻璃气室10、激光器3、控制电路装置4、第一探测器6、第二探测器7以及光梳9 ;其中，
[0017]所述玻璃汽室10内充填有单电子原子蒸汽；
[0018]所述激光器3，其设置于所述玻璃汽室10外部，其所射出的激光输出光束射入并透射出玻璃汽室10,且在玻璃汽室10内部与单电子原子相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置4控制所述激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压；
[0019]所述第一探测器6，其设置于所述玻璃汽室10外部，且处于所述激光输出光束从玻璃汽室10透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子对激光的吸收信号；
[0020]所述第二探测器7，其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的突光；
[0021]所述控制电路装置4，其用于接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0022]所述光梳9，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳9用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0023]其中，所述单电子原子为铯原子、铷原子、钾原子或钠原子。
[0024]其中，所述真空腔室I的真空度由所述控制电路装置4控制在优于10_4乇的程度；
[0025]所述单电子原子束发生装置2的温度由所述控制电路装置4按照0.1摄氏度的控制精度控制在95摄氏度至105摄氏度。
[0026]其中，所述单电子原子为铯原子时，所述激光输出光束为波长为455nm或459nm的
窄线宽激光；[0027]所述激光输出光束为波长为455nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P3/2的量子跃迁谱线上；
[0028]所述激光输出光束为波长为459nm的窄线宽激光时,所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P1/2的量子跃迁谱线上。
[0029]其中，所述单电子原子为铷原子时,所述激光输出光束为波长为420nm至421nm的窄线宽激光；且所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铷原子从5S基态跃迁到6P第2激发态的量子跃迁谱线上。
[0030]其中，所述光钟外部还设有一外壳，所述外壳用于固定并保护前述各个部件；
[0031]所述外壳内置有磁屏蔽层，以屏蔽外界电磁干扰。
[0032]此外，本发明还提供一种单电子原子光钟的制备方法，其包括如下步骤:
[0033]步骤S1:准备一真空腔室I，通过一控制电路装置4将其真空度控制在优于10_4乇的程度；在所述真空腔室I上设置两个光窗8，所述两个光窗8在所述真空腔室I的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器3激光输出光束的路径；
[0034]步骤S2:准备一单电子原子束发生装置2，将其设置于所述真空腔室I中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置2产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束；
[0035]步骤S3:准备一激光器3，将其设置于所述真空腔室I外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗8射入并透射出真空腔室1，且在真空腔室I内部与所述单电子原子束正交相互作用；
[0036]步骤S4:准备一第一探测器6，将其设置于真空腔室I外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室I透射出之后的路径上；
[0037]步骤S5:准备一第二探测器7，其为光电探测器；
[0038]步骤S6:准备一光梳9，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近；
[0039]步骤S7:在真空腔室I内部真空度达到预设要求后，通过控制电路装置4控制单电子原子束发生装置2的温度至95摄氏度至105摄氏度；单电子原子束发生装置2发出单电子原子束；
[0040]步骤S8:所述控制电路装置4控制激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，由激光器3产生激光输出光束,该激光输出光束在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁第2激发态；
[0041]步骤S9:所述频率调节器5将激光器3激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，以使得第一探测器6及第二探测器7能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器5受控制电路装置4控制来执行其职能；
[0042]步骤SlO:所述第一探测器6通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器7测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置4接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；[0043]步骤SlO:所述光梳9与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0044]此外，本发明还提供一种单电子原子光钟的制备方法，其包括如下步骤:
[0045]步骤S1:准备一玻璃汽室10，其内充填有单电子原子蒸汽；
[0046]步骤S2:准备一激光器3，其设置于所述玻璃汽室10外部，其所射出的激光输出光束射入并透射出玻璃汽室10，且在玻璃汽室10内部与单电子原子相互作用；
[0047]步骤S3:准备一第一探测器6，将其设置于所述玻璃汽室10外部，且处于所述激光输出光束从玻璃汽室10透射出之后的路径上；
[0048]步骤S4:准备一第二探测器7，其为光电探测器；
[0049]步骤S5:准备一控制电路装置4，所述控制电路装置4控制激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，由激光器3产生激光输出光束，该激光输出光束在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；
[0050]步骤S6:所述第一探测器6通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器7测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置4接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0051]步骤SlO:所述光梳9与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0052]其中，所述单电子原子为铯原子、铷原子、钾原子或钠原子；
[0053]所述单电子原子为铯原子时，所述激光输出光束为波长为455nm或459nm的窄线宽激光；所述激光输出光束为波长为455nm的窄线宽激光时,所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P3/2的量子跃迁谱线上；所述激光输出光束为波长为459nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P1/2的量子跃迁谱线上；
[0054]所述单电子原子为铷原子时,所述激光输出光束为波长为420nm至421nm的窄线宽激光；且所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铷原子从5S基态跃迁到6P第2激发态的量子跃迁谱线上。
[0055](三)有益效果
[0056]本发明技术方案是利用单电子原子的基态跃迁到第2激发态的激光频段的跃迁能级作为光频段的量子频率标准，在结合光梳的频率传递后实现的光钟。该方案的具体实施过程中，以铯原子为例，可利用铯原子第2激发态的窄谱线宽特性，在线圈产生的外磁场中磁子能级可以被分解出来，用于激光稳频。磁场与原子炉的温度可以进行控制来优化系统处于良好的工作状态。加上系统外壳设计，可以屏蔽掉外界的电磁干扰。通过调节半导体激光器的电流、温度与控制腔长的压电陶瓷电压来将激光的最终输出频率稳定在铯原子的6S到7P1/2的459nm或6S到7P3/2的455nm的波长跃迁谱线上。
【专利附图】

【附图说明】[0057]图1为本发明实施例的结构示意图。
[0058]图2为本发明利用玻璃气室原子实现铯原子光钟的实施例。
【具体实施方式】
[0059]为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0060]为解决现有技术的问题，本发明提供一种单电子原子光钟，如图1所示，所述光钟包括:真空腔室1、单电子原子束发生装置2、激光器3、控制电路装置4、频率调节器5、第一探测器6、第二探测器7以及光梳9 ;其中，
[0061]所述真空腔室1，其外连有真空泵装置，其上设有光窗组，所述光窗组包含两个光窗8，所述两个光窗8在所述真空腔室I的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器3激光输出光束的路径；
[0062]所述单电子原子束发生装置2，其设置于所述真空腔室I中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置2产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束；
[0063]所述激光器3，其设置于所述真空腔室I外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗8射入并透射出真空腔室1，且在真空腔室I内部与准直后的所述单电子原子束正交相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置4控制所述激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压；
[0064]所述频率调节器5用于将激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，从而使得第一探测器6及第二探测器7能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器5受控制电路装置4控制来执行其职能；
[0065]所述第一探测器6，其设置于真空腔室I外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室I透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；
[0066]所述第二探测器7，其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的突光；
[0067]所述控制电路装置4，其用于接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0068]所述光梳9，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳9用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0069]此外，本发明还提供一种单电子原子光钟，如图2所示，所述光钟包括:
[0070]玻璃气室10、激光器3、控制电路装置4、第一探测器6、第二探测器7以及光梳9 ；其中，
[0071]所述玻璃汽室10内充填有单电子原子蒸汽；[0072]所述激光器3，其设置于所述玻璃汽室10外部，其所射出的激光输出光束射入并透射出玻璃汽室10,且在玻璃汽室10内部与单电子原子相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置4控制所述激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压；
[0073]所述第一探测器6,其设置于所述玻璃汽室10外部,且处于所述激光输出光束从玻璃汽室10透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子对激光的吸收信号；
[0074]所述第二探测器7，其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的突光；
[0075]所述控制电路装置4，其用于接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0076]所述光梳9，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳9用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0077]其中，所述单电子原子为铯原子、铷原子、钾原子或钠原子。
[0078]其中，所述真空腔室I的真空度由所述控制电路装置4控制在优于10_4乇的程度；
[0079]所述单电子原子束发生装置2的温度由所述控制电路装置4按照0.1摄氏度的控制精度控制在95摄氏度至105摄氏度，优选100摄氏度。
[0080]其中，所述单电子原子为铯原子时，所述激光输出光束为波长为455nm或459nm的
窄线宽激光；
[0081]所述激光输出光束为波长为455nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P3/2的量子跃迁谱线上；
[0082]所述激光输出光束为波长为459nm的窄线宽激光时,所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P1/2的量子跃迁谱线上。
[0083]其中，所述单电子原子为铷原子时,所述激光输出光束为波长为420nm至421nm的窄线宽激光；且所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铷原子从5S基态跃迁到6P第2激发态的量子跃迁谱线上。
[0084]其中，所述光钟外部还设有一外壳，所述外壳用于固定并保护前述各个部件；
[0085]所述外壳内置有磁屏蔽层，以屏蔽外界电磁干扰。
[0086]此外，本发明还提供一种单电子原子光钟的制备方法，其包括如下步骤:
[0087]步骤S1:准备一真空腔室I，通过一控制电路装置4将其真空度控制在优于10_4乇的程度；在所述真空腔室I上设置两个光窗8，所述两个光窗8在所述真空腔室I的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器3激光输出光束的路径；
[0088]步骤S2:准备一单电子原子束发生装置2，将其设置于所述真空腔室I中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置2产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束；
[0089]步骤S3:准备一激光器3，将其设置于所述真空腔室I外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗8射入并透射出真空腔室I，且在真空腔室I内部与准直后的所述单电子原子束正交相互作用；
[0090]步骤S4:准备一第一探测器6，将其设置于真空腔室I外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室I透射出之后的路径上；
[0091]步骤S5:准备一第二探测器7，其为光电探测器；
[0092]步骤S6:准备一光梳9，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近；
[0093]步骤S7:在真空腔室I内部真空度达到预设要求后，通过控制电路装置4控制单电子原子束发生装置2的温度至95摄氏度至105摄氏度；单电子原子束发生装置2发出单电子原子束；
[0094]步骤S8:所述控制电路装置4控制激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，由激光器3产生激光输出光束,该激光输出光束在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁第2激发态；
[0095]步骤S9:所述频率调节器5将激光器3激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，以使得第一探测器6及第二探测器7能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器5受控制电路装置4控制来执行其职能；
[0096]步骤SlO:所述第一探测器6通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器7测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置4接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0097]步骤SlO:所述光梳9与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0098]此外，本发明还提供一种单电子原子光钟的制备方法，其包括如下步骤:
[0099]步骤S1:准备一玻璃汽室10，其内充填有单电子原子蒸汽；
[0100]步骤S2:准备一激光器3，其设置于所述玻璃汽室10外部，其所射出的激光输出光束射入并透射出玻璃汽室10，且在玻璃汽室10内部与单电子原子相互作用；
[0101 ] 步骤S3:准备一第一探测器6，将其设置于所述玻璃汽室10外部，且处于所述激光输出光束从玻璃汽室10透射出之后的路径上；
[0102]步骤S4:准备一第二探测器7，其为光电探测器；
[0103]步骤S5:准备一控制电路装置4，所述控制电路装置4控制激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，由激光器3产生激光输出光束，该激光输出光束在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；
[0104]步骤S6:所述第一探测器6通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器7测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置4接收所述第一探测器6及第二探测器7的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器3的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器3的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；
[0105]步骤SlO:所述光梳9与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
[0106]其中，所述单电子原子为铯原子、铷原子、钾原子或钠原子；
[0107]所述单电子原子为铯原子时，所述激光输出光束为波长为455nm或459nm的窄线宽激光；所述激光输出光束为波长为455nm的窄线宽激光时,所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P3/2的量子跃迁谱线上；所述激光输出光束为波长为459nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P1/2的量子跃迁谱线上；
[0108]所述单电子原子为铷原子时,所述激光输出光束为波长为420nm至421nm的窄线宽激光；且所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置4锁定在铷原子从5S基态跃迁到6P第2激发态的量子跃迁谱线上。
[0109]下面介绍具体实施例。
[0110]实施例
[0111]图1为本发明一个实施例的铯原子光钟结构示意图。该铯原子光钟包括:真空腔体与真空泵系统1，原子炉2，激光器3，控制电路装置4，频率调节器5，探测器6和7，光窗8，光梳9。
[0112]当真空腔体I内真空维持在要求的条件下之后，控制电路装置4加热并控制铯原子炉2的温度在100摄氏度左右，炉温控制精度达到0.1摄氏度，形成强度稳定的原子束流。控制电路装置4对半导体激光器3的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，以及对频率调节器5进行精密控制已形成稳频。当半导体激光的输出光束经有真空腔体上的光窗8与准直后的原子束正交相互作用，原子对激光的吸收信号由探测器6测量，原子对激光作用形成的荧光由探测器7测量，再将探测器6、7测量到的信号输给控制电路装置4进行处理，作为误差信号来调节激光器3的输出光严格锁定在铯原子的6S基态到7P第2激发态之间的跃迁能级上，形成量子激光频率标准，再与光梳9锁定，得到铯原子光钟。所述光梳9其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近。
[0113]另一简化的实施例是用玻璃气室中的铯原子来代替真空腔体内的原子束，其结构如图2所示，其实施过程也大致相当。
[0114]上述实施例的铯原子光钟，还可包括一外壳，用于固定和保护各个元件，并通过严格的尺寸、公差设计使各元件处于准确的相互位置，该外壳有内置确定尺过的磁屏蔽层，来屏蔽外界电磁干扰。
[0115]上述实施例中的铯原子光钟，通过窄线宽半导体激光器与铯原子基态到第2激发态之间的跃迁能级相互作用，获得具有窄线宽特性的原子光谱并反馈调节与锁定半导体激光。由于铯原子第2激发态寿命较长，其自然线宽仅约1.2MH3，而信号的信噪比很高。
[0116]上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理，而非用于限制本发明的范围。具体地，本发明也适用于铷原子、钾原子、钠原子对应的基态与第2激发态之间的跃迁能级来实现本发明原理的光钟。例如对于铷原子的基态5S到第2激发态6P之间的420nm与421nm跃迁可以实现铷原子光钟。
[0117]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种单电子原子光钟，其特征在于，所述光钟包括:真空腔室(I)、单电子原子束发生装置(2)、激光器(3)、控制电路装置(4)、频率调节器(5)、第一探测器(6)、第二探测器(7)以及光梳(9);其中， 所述真空腔室(I )，其外连有真空泵装置，其上设有光窗组，所述光窗组包含两个光窗(8),所述两个光窗(8)在所述真空腔室(I)的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器(3)激光输出光束的路径； 所述单电子原子束发生装置(2)，其设置于所述真空腔室(I)中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置(2)产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束； 所述激光器(3)，其设置于所述真空腔室(I)外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗(8)射入并透射出真空腔室(I )，且在真空腔室(I)内部与所述单电子原子束正交相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置(4)控制所述激光器(3)的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压； 所述频率调节器(5)用于将激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，从而使得第一探测器(6)及第二探测器(7)能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器(5)受控制电路装置(4)控制来执行其职能； 所述第一探测器(6)，其设置于真空腔室(I)外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室(I)透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号； 所述第二探测器(7)，其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光； 所述控制电路装置(4)，其用于接收所述第一探测器(6)及第二探测器(7)的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器(3)的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器(3)的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准； 所述光梳(9)，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳(9)用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
2.一种单电子原子光钟，其特征在于，所述光钟包括: 玻璃气室(10)、激光器(3)、控制电路装置(4)、第一探测器(6)、第二探测器(7)以及光梳(9);其中， 所述玻璃汽室(10)内充填有单电子原子蒸汽； 所述激光器(3)，其设置于所述玻璃汽室(10)外部，其所射出的激光输出光束射入并透射出玻璃汽室(10)，且在玻璃汽室(10)内部与单电子原子相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置(4)控制所述激光器(3)的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压；所述第一探测器(6)，其设置于所述玻璃汽室(10)外部，且处于所述激光输出光束从玻璃汽室(10)透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子对激光的吸收信号； 所述第二探测器(7)，其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光； 所述控制电路装置(4)，其用于接收所述第一探测器(6)及第二探测器(7)的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器(3)的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器(3)的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准； 所述光梳(9)，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳(9)用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
3.如权利要求1或2所述的单电子原子光钟，其特征在于，所述单电子原子为铯原子、铷原子、钾原子或钠原子。
4.如权利要求1所述的单电子原子光钟，其特征在于，所述真空腔室(I)的真空度由所述控制电路装置(4)控制在优于10_4乇的程度； 所述单电子原子束发生装置(2)的温度由所述控制电路装置(4)按照0.1摄氏度的控制精度控制在95摄氏度至105摄氏度。
5.如权利要求3所述的单电子原子光钟，其特征在于，所述单电子原子为铯原子时，所述激光输出光束为波长为455nm或459nm的窄线宽激光； 所述激光输出光束为波长为455nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置(4)锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P3/2的量子跃迁谱线上； 所述激光输出光束为波长为459nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置(4)锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P1/2的量子跃迁谱线上。
6.如权利要求3所述的单电子原子光钟，其特征在于，所述单电子原子为铷原子时，所述激光输出光束为波长为420nm至421nm的窄线宽激光；且所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置(4)锁定在铷原子从5S基态跃迁到6P第2激发态的量子跃迁谱线上。
7.如权利要求1所述的单电子原子光钟，其特征在于，所述光钟外部还设有一外壳，所述外壳用于固定并保护前述各个部件； 所述外壳内置有磁屏蔽层，以屏蔽外界电磁干扰。
8.一种单电子原子光钟的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤: 步骤S1:准备一真空腔室(1)，通过一控制电路装置(4)将其真空度控制在优于10_4乇的程度；在所述真空腔室(I)上设置两个光窗(8)，所述两个光窗(8)在所述真空腔室(I)的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器(3)激光输出光束的路径； 步骤S2:准备一单电子原子束发生装置(2)，将其设置于所述真空腔室(I)中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置(2)产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束； 步骤S3:准备一激光器(3)，将其设置于所述真空腔室(I)外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗(8)射入并透射出真空腔室(I )，且在真空腔室(I)内部与所述单电子原子束正交相互作用； 步骤S4:准备一第一探测 器(6)，将其设置于真空腔室(I)外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室(I)透射出之后的路径上； 步骤S5:准备一第二探测器(7)，其为光电探测器； 步骤S6:准备一光梳(9)，其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近； 步骤S7:在真空腔室(I)内部真空度达到预设要求后，通过控制电路装置(4)控制单电子原子束发生装置(2)的温度至95摄氏度至105摄氏度；单电子原子束发生装置(2)发出单电子原子束； 步骤S8:所述控制电路装置(4 )控制激光器(3 )的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，由激光器(3)产生激光输出光束，该激光输出光束在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁第2激发态； 步骤S9:所述频率调节器(5)将激光器(3)激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，以使得第一探测器(6)及第二探测器(7)能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器(5)受控制电路装置(4)控制来执行其职能； 步骤SlO:所述第一探测器(6)通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器(7)测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置(4)接收所述第一探测器(6)及第二探测器(7)的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器(3)的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器(3)的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准； 步骤S10:所述光梳(9)与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
9.一种单电子原子光钟的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤: 步骤S1:准备一玻璃汽室(10)，其内充填有单电子原子蒸汽； 步骤S2:准备一激光器(3)，其设置于所述玻璃汽室(10)外部，其所射出的激光输出光束射入并透射出玻璃汽室(10)，且在玻璃汽室(10)内部与单电子原子相互作用； 步骤S3:准备一第一探测器(6)，将其设置于所述玻璃汽室(10)外部，且处于所述激光输出光束从玻璃汽室(10)透射出之后的路径上； 步骤S4:准备一第二探测器(7)，其为光电探测器； 步骤S5:准备一控制电路装置(4 )，所述控制电路装置(4 )控制激光器(3 )的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压，由激光器(3)产生激光输出光束，该激光输出光束在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态； 步骤S6:所述第一探测器(6)通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器(7)测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置(4)接收所述第一探测器(6)及第二探测器(7)的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器(3)的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器(3)的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准； 步骤S10:所述光梳(9)与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。
10.如权利要求8或9所述的单电子原子光钟的制备方法，其特征在于，所述单电子原子为铯原子、铷原子、钾原子或钠原子； 所述单电子原子为铯原子时，所述激光输出光束为波长为455nm或459nm的窄线宽激光；所述激光输出光束为波长为455nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置(4)锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P3/2的量子跃迁谱线上；所述激光输出光束为波长为459nm的窄线宽激光时，所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置(4)锁定在铯原子从6S基态跃迁到7P1/2的量子跃迁谱线上； 所述单电子原子为铷原子时，所述激光输出光束为波长为420nm至421nm的窄线宽激光；且所述激光输出光束最终输出频率通过控制电路装置(4)锁定在铷原子从5S基态跃迁到6P第2激发态的量子跃迁谱线上。
【文档编号】G04F5/14GK103809426SQ201410092575
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】陈景标, 郭弘 申请人:北京大学