一种用于冷原子钟的多功能微波腔

技术领域

本发明涉及冷原子钟技术领域，具体而言，涉及一种用于冷原子钟的多功能微波腔。

背景技术

自1967年人们修改秒定义以来，国内外研究人员开发了多种类型的时间频率产生装置，用来实现高准确度和高稳定度的时间频率标准。现代科学技术的发展越来越离不开高度精确稳定地时间，尤其体现在导航定位、电力、通信、测控等领域，应用范围越来越大。

原子钟按工作物质来分主要分为热原子钟和冷原子钟，常见的热原子钟包括谱灯铷泡钟、CPT铷钟、铯束钟、氢钟等，常见的冷原子钟包括铯（铷）喷泉钟、铯（铷）积分球钟、冷原子光钟等。上述热原子钟经过多年发展，研发生产工艺已经非常成熟，根据应用场景不同，几种热原子钟指标有所不同，其中作为高精度频率标准应用于大型守时授时机构或计量机构的铯钟和氢钟产品指标已接近极限，不能充分满足未来对高精度时频基准的应用需求，研究人员开始考虑发掘冷原子钟的应用潜力，希望提升冷原子钟的可靠性和工程化水平，保持高精度的同时减小体积，实现下一代高性能原子钟产品。

微波腔是冷原子钟的重要组成部分，是冷原子与微波相互作用的场所，用于完成外部频率源对原子能级的探询，其性能好坏对冷原子钟整体性能有重要影响。喷泉钟里的微波腔常作为一个独立微波器件使用，而原子冷却、选态、探测等过程在系统其它部分完成，由此主要产生以下几个问题：

1、系统体积重量过大，不利于冷原子钟的集成度和可靠性提升，在便携性上相较于其他原子钟有较大劣势；

2、分离的原子作用区使系统死时间比例变大，原子激励占空比较小，产生的Dick效应频移因素会对冷原子钟稳定度产生较大不利影响；

3、分离的原子作用区使原子在激励前损耗较大，导致量子投影噪声较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于冷原子钟的多功能微波腔，该微波腔既能用于冷原子微波激励，又能满足原子的激光冷却、选态和探测，从而减小冷原子钟系统体积重量，提升便携性和可靠性，同时降低Dick效应和量子投影噪声，提升系统稳定度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于冷原子钟的多功能微波腔，包括腔主体以及分别设置于所述腔主体上下两端的上端盖和下端盖，所述下端盖上设置有与腔主体内部连通的端盖截止波导，所述上端盖上设置有与端盖截止波导对应的第一激光通孔，所述第一激光通孔与腔主体内部连通；

所述腔主体的周向侧壁分别开设有与腔主体内部连通的第二激光通孔、第三激光通孔、第四激光通孔以及第五激光通孔，所述第二激光通孔、第三激光通孔、第四激光通孔以及第五激光通孔呈90°圆周阵列分布，所述第一激光通孔、第二激光通孔、第三激光通孔、第四激光通孔以及第五激光通孔处均设置有光机附件A，所述光机附件A用于实现冷却激光的反射；

其中，所述冷却激光经端盖截止波导向上入射至腔主体内部，并依次经过第一激光通孔、第二激光通孔、第三激光通孔、第四激光通孔以及第五激光通孔处的光机附件A反射后，在腔主体的内部中心形成三对对射且正交的激光。

在一些可能的实施例中，所述腔主体的周向侧壁还开设有与腔主体内部连通的第一选态探测孔、第二选态探测孔以及至少一个荧光探测孔，所述第一选态探测孔和第二选态探测孔呈180°对称分布，所述第一选态探测孔和第二选态探测孔处均设置有光机附件B，所述光机附件B用于实现选态激光或探测激光的反射，所述第一选态探测孔处的光机附件B具有供选态激光或探测激光进入的孔；

所述荧光探测孔位于第一选态探测孔和第二选态探测孔之间的连线的中垂线上，所述荧光探测孔处设置有荧光收集装置；

其中，所述选态激光或探测激光经第一选态探测孔处的光机附件B进入腔主体内部，进入所述腔主体内部的选态激光或探测激光经腔主体的内部中心到达第二选态探测孔处的光机附件B并发生反射以形成驻波。

在一些可能的实施例中，所述光机附件A和光机附件B均包括壳体以及反射镜，所述壳体的一侧呈开口结构，所述反射镜内置于壳体内部。

在一些可能的实施例中，所述第五激光通孔处的光机附件A内还设置有波片或波片组，所述波片或波片组位于该光机附件A内部的反射镜的上游。

在一些可能的实施例中，所述荧光收集装置包括荧光收集透镜和光电管。

在一些可能的实施例中，所述腔主体、上端盖和下端盖采用无磁材料制成。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明提供的用于冷原子钟的多功能微波腔能够实现对处于腔主体内部中心的原子进行激光冷却、选态和探测等操作，使得微波腔由单一的微波激励功能扩宽至满足冷原子钟全部操作的多功能微波腔，提高了微波腔利用率，使得冷原子钟整体体积重量得到较大缩减，并将冷原子钟的原子作用区由分离式变为一体式，降低了系统死时间，使Dick效应大为降低，同时减小了原子的损耗，降低了量子投影噪声。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多功能微波腔的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多功能微波腔实现原子激光冷却时的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的多功能微波腔实现原子选态或探测时的工作原理示意图。

图标：10-腔主体，20-上端盖，30-下端盖，40-端盖截止波导，50-光机附件A，60-光机附件B，70-荧光收集装置，a-第一激光通孔，b-第二激光通孔，c-第三激光通孔，d-第四激光通孔，e-第五激光通孔，f-第一选态探测孔，g-第二选态探测孔，h-荧光探测孔。

实施方式

实施例

请参照图1至图3，本实施例提供了一种用于冷原子钟的多功能微波腔，以通过同一个微波腔实现原子的激光冷却、选态和探测等操作，从而使得微波腔由单一的微波激励功能扩宽至满足冷原子钟全部操作的多功能微波腔。具体地，结合图1所示的内容，该多功能微波腔包括腔主体10、上端盖20以及下端盖30，其中，上端盖20和下端盖30分别设置于腔主体10的上下两端，以使得腔主体10内部构成一相对密闭的腔室，可以理解的是，腔主体10的内表面可以是圆柱形或其他形状，在实际实施时只需改变腔主体10内表面的三维尺寸，即可改变微波腔谐振频率，以用于匹配工作原子能级跃迁频率。

与此同时，本实施例中的腔主体10、上端盖20以及下端盖30均可以采用无磁材料制成，例如无氧铜或铝合金等，且根据微波腔Q值需求不同可以使用不同的内表面处理方法对腔主体10、上端盖20以及下端盖30的内表面进行处理，例如抛光或镀无磁金属膜等方法，以此来满足不同指标需求的冷原子钟使用。

在本实施例中，为了实现原子的激光冷却，继续参照图1，下端盖30上设置有与腔主体10内部连通的端盖截止波导40，该端盖截止波导40用于供对原子进行激光冷却的冷却激光入射至腔主体10内部，此时，结合图2所示的内容，上端盖20上设置有与端盖截止波导40对应的第一激光通孔a，即第一激光通孔a正对端盖截止波导40，且第一激光通孔a与腔主体10内部连通。

与此同时，继续参照图2，腔主体10的周向侧壁分别开设有与腔主体10内部连通的第二激光通孔b、第三激光通孔c、第四激光通孔d以及第五激光通孔e，第二激光通孔b、第三激光通孔c、第四激光通孔d以及第五激光通孔e呈90°圆周阵列分布，第一激光通孔a、第二激光通孔b、第三激光通孔c、第四激光通孔d以及第五激光通孔e处均设置有光机附件A50，光机附件A50用于实现冷却激光的反射。

可以理解的是，结合图1所示的内容，本实施例中的第一激光通孔a处的光机附件A50设置在上端盖20的顶部，而第二激光通孔b、第三激光通孔c、第四激光通孔d以及第五激光通孔e处的光机附件A50均设置在腔主体10的周向外壁上，此时，每个光机附件A50均包括壳体以及反射镜等光学元件，光机附件A50的壳体的一侧呈开口结构，以使得穿过上述各激光通孔的冷却激光能够进入对应的光机附件A50的壳体内部，而反射镜内置于壳体内部，以实现冷却激光的反射。与此同时，在实际实施时，上述各激光通孔处的光机附件A50的壳体可以与腔主体10或上端盖20一体加工成型，也可以作为独立组件单独制造，在此不做具体限定。

其中，在对腔主体10内部中心的原子进行激光冷却阶段，冷却激光经端盖截止波导40向上入射至腔主体10内部，并依次经过第一激光通孔a、第二激光通孔b、第三激光通孔c、第四激光通孔d以及第五激光通孔e处的光机附件A50反射后，在腔主体10的内部中心形成三对对射且正交的冷却激光，以实现对原子进行激光冷却。

示例的，本实施例中的第二激光通孔b正对第三激光通孔c，第四激光通孔d正对第五激光通孔e，在激光冷却阶段，如图2所示，冷却激光经端盖截止波导40入射至腔主体10内部后经过腔主体10内部中心并穿过第一激光通孔a，此时冷却激光经第一激光通孔a处的光机附件A50内的反射镜反射后进入第二激光通孔b处的光机附件A50内部，进入第二激光通孔b处的光机附件A50内部的冷却激光经该光机附件A50内的反射镜反射后穿过第二激光通孔b并再次经过腔主体10内部中心以穿过第三激光通孔c，穿过第三激光通孔c的冷却激光进入第三激光通孔c处的光机附件A50内部，进入第三激光通孔c处的光机附件A50内部的冷却激光经该光机附件A50内的反射镜反射后进入第四激光通孔d处的光机附件A50内部，进入第四激光通孔d处的光机附件A50内部的冷却激光经该光机附件A50内的反射镜反射后穿过第四激光通孔d并再次经过腔主体10内部中心以穿过第五激光通孔e，穿过第五激光通孔e的冷却激光经第五激光通孔e处的光机附件A50内的反射镜反射后原路返回，此时端盖截止波导40与第一激光通孔a之间、第二激光通孔b与第三激光通孔c之间、第四激光通孔d与第五激光通孔e之间就构成三对对射且正交的冷却激光，以实现对处于腔主体10内部中心的原子进行激光冷却。

需要说明的是，为了使得经第一激光通孔a处的光机附件A50内的反射镜反射后的冷却激光能够顺利进入第二激光通孔b处的光机附件A50内部，可以在第一激光通孔a处的光机附件A50的壳体上以及第二激光通孔b处的光机附件A50的壳体开设供冷却激光通过的孔（图中未示出），相应的，为了使得经第三激光通孔c处的光机附件A50内的反射镜反射后的冷却激光能够顺利进入第四激光通孔d处的光机附件A50内部，可以在第三激光通孔c处的光机附件A50的壳体上以及第四激光通孔d处的光机附件A50的壳体开设供冷却激光通过的孔（图中未示出）。

此外，在实际实施时，结合图2所示的内容，可以在第五激光通孔e处的光机附件A50的壳体内部设置波片或波片组，且波片或波片组位于该光机附件A50内部的反射镜的上游，也就是说，当穿过第五激光通孔e的冷却激光进入第五激光通孔e处的光机附件A50内部后，会先穿过波片或波片组后再到达该光机附件A50内部的反射镜，以通过波片或波片组对冷却激光进行偏振调控。

在本实施例中，为了实现原子的选态或探测，结合图3所示的内容，腔主体10的周向侧壁还开设有与腔主体10内部连通的第一选态探测孔f、第二选态探测孔g以及至少一个荧光探测孔h，第一选态探测孔f和第二选态探测孔g呈180°对称分布，第一选态探测孔f和第二选态探测孔g处均设置有光机附件B60，光机附件B60用于实现选态激光或探测激光的反射，且第一选态探测孔f处的光机附件B60具有供选态激光或探测激光进入的孔。

可以理解的是，本实施例中的第一选态探测孔f以及第二选态探测孔g处的光机附件B60均设置在腔主体10的周向外壁上，此时，每个光机附件B60均包括壳体以及反射镜等光学元件，光机附件B60的壳体的一侧呈开口结构，以使得穿过上述各选态探测孔的激光能够进入对应的光机附件B60的壳体内部，而反射镜内置于壳体内部，以实现选态激光或探测激光的反射。与此同时，为了在选态或探测阶段使得选态激光或探测激光能够顺利进入腔主体10内部，第一选态探测孔f的光机附件B60的壳体上还开设有供选态激光或探测激光穿过的孔（图中未示出）。此外，在实际实施时，上述各选态探测孔处的光机附件B60的壳体可以与腔主体10一体加工成型，也可以作为独立组件单独制造，在此不做具体限定。

继续参照图3，荧光探测孔h则位于第一选态探测孔f和第二选态探测孔g之间的连线的中垂线上，荧光探测孔h处设置有荧光收集装置70，该荧光收集装置70可以但不局限于包括荧光收集透镜和光电管等部件，且荧光收集透镜和光电管等部件封装于一个设置在腔主体10的周向外壁上的壳体内，以通过荧光收集装置70探测腔主体10内部中心原子团的荧光强度。

可以理解的是，结合图3所示的内容，本实施例中的第一选态探测孔f开设在第三激光通孔c和第四激光通孔d之间，第二选态探测孔g则开设在第二激光通孔b和第五激光通孔e之间且正对第一选态探测孔f，荧光探测孔h则开设在第二激光通孔b和第四激光通孔d之间，以使得微波腔整体结构布局更加合理。

其中，在选态或探测阶段，选态激光或探测激光经第一选态探测孔f处的光机附件B60进入腔主体10内部，进入腔主体10内部的选态激光或探测激光经腔主体10的内部中心到达第二选态探测孔g处的光机附件B60并发生反射以形成驻波。

具体地，在选态阶段，如图3所示，选态激光经第一选态探测孔f处的光机附件B60的壳体上的孔垂直向上入射，此时选态激光经该光机附件B60内的反射镜反射后穿过第一选态探测孔f进入腔主体10内部，进入腔主体10内部的选态激光经过腔主体10内部中心后穿过第二选态探测孔g进入第二选态探测孔g处的光机附件B60的内部，并经第二选态探测孔g处的光机附件B60内的反射镜反射后原路返回，以实现在第一选态探测孔f和第二选态探测孔g之间形成驻波，根据选态激光频率不同可以采用不同的选态方式。

相应的，在探测阶段，如图3所示，探测激光同样经第一选态探测孔f处的光机附件B60的壳体上的孔垂直向上入射，此时探测激光经该光机附件B60内的反射镜反射后穿过第一选态探测孔f进入腔主体10内部，进入腔主体10内部的探测激光经过腔主体10内部中心后穿过第二选态探测孔g进入第二选态探测孔g处的光机附件B60的内部，并经第二选态探测孔g处的光机附件B60内的反射镜反射后原路返回，以实现在第一选态探测孔f和第二选态探测孔g之间形成驻波，与此同时，荧光探测孔h处的荧光收集装置70探测腔主体10内部中心原子团的荧光强度，以实现探测目的。

由此可见，本实施例提供的用于冷原子钟的多功能微波腔，通过对微波腔的结构以及原子激光冷却、选态和探测的方式进行改进，在实际应用过程中仅需一束入射至腔主体10内部的冷却激光、选态激光或探测激光，在多个光机附件A50或光机附件B60作用下即可使得冷却激光、选态激光或探测激光发生多次偏折、改变偏振，最后原路返回，以实现对处于腔主体10内部中心的原子进行激光冷却、选态和探测等操作，使得微波腔由单一的微波激励功能扩宽至满足冷原子钟全部操作的多功能微波腔，提高了微波腔利用率，使得冷原子钟整体体积重量得到较大缩减，并将冷原子钟的原子作用区由分离式变为一体式，降低了系统死时间，使Dick效应大为降低，同时减小了原子的损耗，降低了量子投影噪声。

需要说明的是，在实际实施时，还可以通过改变设置在腔主体10周向外壁上的光机附件A50或光机附件B60的数量或位置的方式，以实现满足不同应用需求的多功能折叠光路微波腔。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。