一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟

本申请涉及冷原子技术与原子钟领域，尤其涉及一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟。

背景技术：

1、随着科学技术的进步和人类对时间精确度的更高追求，自量子理论建立以来，时间的参考从宏观世界的石英晶体的振荡频率转变为微观世界的原子跃迁频率，继而出现了以冷原子(或原子系综)为参考的量子频标，如，微波原子钟；进一步地，激光冷却技术的发明与发展又使基于冷原子为参考的微波原子钟得到了极大的应用和发展，在此基础上，冷原子光钟的频率稳定度较微波原子钟提高了几个数量级。

2、其中，锶原子光钟、镱原子光钟和铝离子光钟等均为目前频率稳定度较高的冷原子光钟。然而，这些冷原子光钟均难以得到连续的原子钟跃迁信号，因而不能用作连续守时，在卫星导航和航空航天等应用领域均受到了限制。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，用以解决现有的冷原子光钟均难以得到连续的原子钟跃迁信号，因而不能用作连续守时的问题。

2、第一方面，本申请提供一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，包括：第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、真空气室、电光调制器、探测器和伺服反馈电路；

3、第一激光器，用于发射第一激光，第一激光经第一声光调制器调节激光的失谐后，得到冷却光；

4、第二激光器，用于发射第二激光，第二激光经第二声光调制器调节激光的失谐后经第一偏振片和第一偏振分光棱镜后，得到再抽运光与探测光。其中，再抽运光与冷却光耦合，之后作用于真空气室，经真空气室冷却后，得到冷原子光学粘团，其中，冷却光与再抽运光的光强与光斑均是匹配的，以提升冷却效果；真空气室包括一级真空气室和两级真空气室，均用于获得连续性冷原子光学粘团；探测光经第三声光调制器调节失谐后传输至电光调制器，由电光调制器调制后作用于冷原子光学粘团，得到冷原子光学粘团对应的钟跃迁谱线，其中，所述电光调制器用于对接收到的激光进行高速调制，调制速率为百千赫兹到百兆赫兹量级；

5、探测器，用于探测钟跃迁谱线，并将探测到的钟跃迁谱线传输至伺服反馈电路；

6、伺服反馈电路，用于对钟跃迁谱线进行调制解调，得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号，鉴频信号经过伺服反馈电路反馈至第三声光调制器和第二激光器，以使得第二激光器稳频和完成探测光基于钟跃迁谱线的锁定，并使得经第三声光调制器调节失谐后的探测光连续作用于冷原子光学粘团，以得到连续的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的冷原子光钟，其中，伺服反馈电路的反馈速率比激光线宽的反馈速率大至少一个量级。

7、一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括第二偏振片、第三偏振片和第二偏振分光棱镜，两级真空气室可以包括二维真空气室和三维真空气室；第二偏振片和第二偏振分光棱镜，用于将冷却光分为第一路冷却光和第二路冷却光，并将再抽运光经第三偏振片和第二偏振分光棱镜后分为第一路再抽运光和第二路再抽运光，其中，第一路再抽运光与第一路冷却光耦合后作用于二维真空气室，在二维真空气室形成二维磁光阱，二维磁光阱用于对原子进行预冷却；第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后作用于三维真空气室，在三维真空气室形成三维磁光阱，三维磁光阱用于对预冷却后的原子进行冷却，得到冷原子光学粘团。

8、一种可能的实施方式中，二维真空气室和三维真空气室通过差分管连通。

9、一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还包括以下至少一个：第一反射镜，用于将第二路再抽运光与第二路冷却光耦合后的光反射至三维真空气室。

10、一种可能的实施方式中，第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片均为半波片。

11、一种可能的实施方式中，伺服反馈电路，可以具体用于提供参考信号，并采用参考信号对探测器探测到的钟跃迁谱线进行调制，得到混频信号，之后再对混频信号进行解调，得到钟跃迁谱线对应的鉴频信号。

12、一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还包括：信号发生器，分别与第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器连接，信号发生器用于为第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器提供对应的调频信号，调频信号用于对激光进行调频。

13、一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还包括：信号放大器，信号放大器的输入端连接信号发生器的输出端，用于放大调频信号。

14、一种可能的实施方式中，基于光学粘团的连续型冷原子光钟还可以包括以下至少一个：

15、第二反射镜，用于将探测光反射至第三声光调制器；

16、第三反射镜，用于将再抽运光反射至第三偏振片；

17、第四反射镜，用于将经第三声光调制器调节失谐后的探测光反射至电光调制器。

18、一种可能的实施方式中，第一激光器和第二激光器均为窄线宽外腔半导体激光器。

19、本申请提供的一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，通过将冷原子光学粘团技术与原子钟结合在一起构建出基于冷原子光学粘团的冷原子光钟；再将探测后的钟跃迁谱线通过伺服反馈电路反馈至第三声光调制器和第二激光器，实现激光的稳频，并保持探测光的持续作用，在原子被持续冷却的同时，探测光可以持续作用于冷原子光学粘团，从而得到连续稳定的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的连续型光钟，得到连续的原子钟跃迁信号，可应用在航空航天、卫星导航等领域。另外，用作探测原子钟跃迁谱线的探测光和用于冷却原子的再抽运光由同一台激光器提供，可以简化光钟结构。

技术特征：

1.一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，包括：第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、真空气室、电光调制器、探测器和伺服反馈电路；

2.根据权利要求1所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括第二偏振片、第三偏振片和第二偏振分光棱镜，所述两级真空气室包括二维真空气室和三维真空气室；

3.根据权利要求2所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述二维真空气室和所述三维真空气室通过差分管连通。

4.根据权利要求2所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括以下至少一个：第一反射镜，用于将所述第二路再抽运光与所述第二路冷却光耦合后的光反射至所述三维真空气室。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述第一偏振片、所述第二偏振片和所述第三偏振片均为半波片。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述伺服反馈电路，具体用于：

7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括：信号发生器，分别与所述第一声光调制器、所述第二声光调制器和所述第三声光调制器连接，所述信号发生器用于为所述第一声光调制器、所述第二声光调制器和所述第三声光调制器提供对应的调频信号，所述调频信号用于对激光进行调频。

8.根据权利要求7所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括：信号放大器，所述信号放大器的输入端连接所述信号发生器的输出端，用于放大所述调频信号。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，还包括以下至少一个：

10.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光学粘团的连续型冷原子光钟，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器均为窄线宽外腔半导体激光器。

技术总结本申请提供一种基于光学粘团的连续型冷原子光钟，涉及冷原子技术与原子钟领域，包括第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、真空气室、电光调制器、探测器和伺服反馈电路，通过将冷原子光学粘团技术与原子钟结合在一起构建出基于冷原子光学粘团的冷原子光钟；通过保持探测光的持续作用，在原子被持续冷却的同时，探测光可以持续作用于冷原子光学粘团，从而得到连续稳定的钟跃迁谱线，实现基于冷原子光学粘团的连续型光钟，得到连续的原子钟跃迁信号。另外，用作探测原子钟跃迁谱线的探测光和用于冷却原子的再抽运光由同一台激光器提供，可以简化光钟结构。技术研发人员：潘多,苗杰,陈京明,陈景标受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15