一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法与流程

本发明涉及冷原子频标。更具体地，涉及一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法。

背景技术：

1、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。其中积分球冷原子钟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。

2、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，一方面是采用新原理和新方法不断提高精度指标；另一方面是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，目前在频率稳定度方面，与冷原子数目直接相关的量子投影噪声是限制整钟频率稳定度的重要物理因素之一。现有技术方案中，主要采用球形或圆柱形微波腔形成各向同性光场对原子进行漫反射激光冷却，以及形成仅中心区域处均匀的微波振荡场与原子相互作用，并通过单光束吸收探测法进行原子数探测。在整个方案中，仅有中心区域的冷原子团可以产生钟信号并被探测，而微波腔内非中心区域即周边区域内的大多数冷原子没有参与微波钟信号产生，即微波腔内的冷原子利用率很低。而冷原子利用率是通过量子投影噪声限制积分球冷原子钟频率稳定度的主要因素之一。这就导致积分球冷原子钟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。

3、面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高冷原子利用率的研究尚处于空白阶段，因此亟需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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种激光冷却与探测微波腔装置，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、银层和微波介质壁；其中

4、所述微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的磁场分布；

5、所述银层，用于提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线；

6、所述微波介质壁，用于改变所述装置内本征模的场分布。

7、可选地，所述微波腔腔体包括微波腔上端盖、微波腔腔筒和微波腔下端盖；其中

8、所述微波腔上端盖无需开孔且与所述微波腔腔筒连接成一体；

9、所述微波腔下端盖均匀开设多个第一通光孔，用于冷却光和再抽运光和抽运光注入；

10、所述微波腔腔筒的中心高度位置开设多个第二通光孔，用于探测光注入和输出。

11、可选地，所述微波腔腔筒包括底面直径与腔长相等的圆柱形微波腔腔筒。

12、可选地，所述多个第一通光孔至少包括四个第一通光孔。

13、可选地，所述多个第二通光孔至少包括两个第二通光孔；其中

14、所述两个第二通光孔与所述中心高度位置的横截面上中心点的夹角为90°。

15、可选地，所述微波介质壁包括介质下端盖、介质上端盖和介质筒；其中

16、所述介质下端盖和所述介质上端盖，用于实现轴向中心真空区域均匀微波场；

17、所述介质筒，用于实现径向中心真空区域均匀微波场。

18、可选地，所述介质下端盖、所述介质上端盖和所述介质筒，位于所述微波腔上端盖、所述微波腔腔筒和所述微波腔下端盖内侧。

19、可选地，该装置还包括透明导电膜；其中

20、所述透明导电膜用于封闭所述第一通光孔和所述第二通光孔。

21、可选地，该装置还包括光电探测器；其中

22、所述光电探测器位于所述装置外并与用于所述探测光输出的第二通光孔对齐。

23、本发明第二方面提供了一种激光冷却与探测微波腔的实现方法，该方法包括

24、利用微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的磁场分布；

25、利用银层，提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线；

26、利用微波介质壁，改变所述装置内本征模的场分布。

27、本发明的有益效果如下：

28、本发明提供的一种激光冷却与探测微波腔装置，可有效提高冷原子利用率，进而降低量子投影噪声，并显著提高积分球冷原子钟的频率稳定度，而且装置结构简单易实现，同时材料和加工成本低，方法合理易操作。

技术特征：

1.一种激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、银层和微波介质壁；其中

2.根据权利要求1所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的激光冷却与探测微波腔装置，其特征在于，

10.一种激光冷却与探测微波腔的实现方法，其特征在于，该方法包括

技术总结本发明实施例公开一种激光冷却与探测微波腔装置及实现方法。在一具体实施方式中，该装置包括由外至内依次设置的微波腔腔体、银层和微波介质壁；其中所述微波腔腔体，用于提供所述装置内本征模的磁场分布；所述银层，用于提供各向同性光场形成所需空间的多方向反射光线；所述微波介质壁，用于改变所述装置内本征模的场分布。该实施方式可有效提高冷原子利用率，进而降低量子投影噪声，并有效提高积分球冷原子钟的频率稳定度，而且装置结构简单易实现，同时材料和加工成本低，方法合理易操作。技术研发人员：王秀梅,陈景标,王一非,刘国栋,王丹阳,邓博涵,侯馨华,王亮受保护的技术使用者：北京无线电计量测试研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/15