專利名稱：燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法及銣原子鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子鐘與頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，具體涉及一種燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法及銣原子鐘，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)際上氣泡型銣原子鐘利用銣原子譜燈進(jìn)行光抽運(yùn)和光檢 測(cè)的銣原子鐘已經(jīng)達(dá)到了性能極限。為了突破銣原子鐘已經(jīng)達(dá)到的性能極限，克服銣原子 譜燈光抽運(yùn)銣原子鐘時(shí)的低信噪比、低抽運(yùn)效率以及抽運(yùn)譜燈的光強(qiáng)和光譜線型隨時(shí)間變 化帶來的原子鐘頻率穩(wěn)定度的惡化，現(xiàn)有技術(shù)通過采用半導(dǎo)體激光代替銣譜燈進(jìn)行光抽運(yùn) 和光檢測(cè)。由于利用激光抽運(yùn)和檢測(cè)的銣原子鐘所利用的半導(dǎo)體激光器工作在銣原子794. 8 納米(D1)或780納米(D2)譜線上，增益帶寬達(dá)到了數(shù)個(gè)納米(nm)的寬度。為了使半導(dǎo)體 激光器在銣原子鐘系統(tǒng)上得到應(yīng)用，必須通過穩(wěn)頻技術(shù)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)，使 半導(dǎo)體激光器能夠與銣原子的794. 8納米(D1)或780納米(D2)譜中的一條躍遷線共振并 使半導(dǎo)體激光器鎖定在該譜線上，例如鎖定在銣87原子的基態(tài)5s 2S172F = 1能級(jí)到激發(fā) 態(tài)5p 2P372F = 2能級(jí)躍遷頻率上。進(jìn)一步地，即使半導(dǎo)體激光器鎖定在銣譜線上，半導(dǎo)體激 光器仍然會(huì)由于振動(dòng)、溫度變化等原因失鎖并且其工作頻率漂移以致離開銣原子譜線，最 終導(dǎo)致沒有人工的再次干預(yù)檢查就無法自動(dòng)重新將半導(dǎo)體激光器鎖定在所需的銣譜線上， 這對(duì)于半導(dǎo)體激光抽運(yùn)銣原子鐘作自主應(yīng)用時(shí)是個(gè)無法克服的限制。半導(dǎo)體激光器的上述 缺陷給半導(dǎo)體激光抽運(yùn)銣原子鐘帶來極大的系統(tǒng)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性的隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法及銣 原子鐘，提高抽運(yùn)銣原子鐘的信噪比、抽運(yùn)效率，并克服頻率穩(wěn)定度漂移等缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方 法，包括將銣氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對(duì)原子汽室中的銣氣體原子進(jìn)行泵浦實(shí)現(xiàn) 布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)后在激光諧振腔作用下形成燈泵銣氣體激光；利用所述燈泵銣氣體激光對(duì)設(shè)置在微波腔內(nèi)的銣泡進(jìn)行激光抽運(yùn)，并利用所述燈 泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的所述銣原子在所述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的躍 遷幾率，根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入所述微波腔的微波頻率，使所述微波腔內(nèi)的微波 頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，從而提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種銣原子鐘，包括依次設(shè)置的銣氣體無極燈、濾光裝置、聚焦透鏡，用于產(chǎn)生在第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)之 間躍遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷的激光諧振腔，所述激光諧振腔的一端靠近所述聚焦透鏡設(shè)置有激光高反泵浦光投射鏡，所述激光諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷設(shè)置有耦合透鏡；設(shè)置于所述激光諧振腔內(nèi)的原子汽室，所述原子汽室內(nèi)充有與所述銣氣體無極燈內(nèi)的銣蒸汽氣體，并混合有用于與所述原子汽室內(nèi)的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/ 或氣體分子，形成燈泵銣氣體激光；設(shè)置于微波腔體內(nèi)的帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有緩沖氣體的銣泡，利用所述燈 泵銣氣體激光對(duì)所述銣泡進(jìn)行抽運(yùn)，并利用所述燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的銣原子在所 述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入所述 微波腔的微波頻率，使所述饋入微波腔內(nèi)的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，并提供 標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。上述本發(fā)明提供的燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法及銣原子鐘，與 已有的利用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘相比，本發(fā)明通過利用燈泵銣氣體激光在銣 的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出頻率上；由于燈泵銣氣體激光的頻率在失鎖 的狀態(tài)下仍然是工作在銣躍遷譜線展寬譜上，因此即使燈泵銣氣體激光的頻率發(fā)生失鎖， 也可以快速地將燈泵銣氣體激光鎖定在所需的輸出頻率上；此外，由于銣氣體無極燈有著 預(yù)期二十年的壽命，進(jìn)一步保證了本發(fā)明所述的用燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的銣原子鐘的長(zhǎng)壽 命。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為現(xiàn)有銣原子能級(jí)的結(jié)構(gòu)示意；圖2為本發(fā)明燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法實(shí)施例的流程示意 圖；圖3為本發(fā)明銣原子鐘一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明銣原子鐘另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明銣原子鐘再一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖1為現(xiàn)有銣原子能級(jí)的結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示，抽運(yùn)和檢測(cè)的激光可以是794. 8 納米(D1)譜線的激光，也可以是780納米(D2)譜線的激光；5p 2P372到基態(tài)5s 2S172的躍遷 譜線成為780納米(D2)譜線，其中5p 2P172到基態(tài)5s 2S172的躍遷譜線成為794. 8納米(D1) 譜線。本發(fā)明實(shí)施例為描述方便，將銣原子在780納米(D2)譜線上泵浦，在794. 8納米(D1) 譜線輸出的銣氣體激光作為抽運(yùn)和檢測(cè)激光為例子來解釋本發(fā)明氣泡型銣原子鐘的工作原理。此外，本發(fā)明實(shí)施例為描述方便，將本發(fā)明實(shí)施例所述的用銣氣體無極燈泵浦的銣氣體激光簡(jiǎn)稱為燈泵銣氣體激光。圖2為本發(fā)明燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法實(shí)施例的流程示意 圖，如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例包括如下步驟步驟201、將銣氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對(duì)原子汽室中的銣氣體原子進(jìn)行 泵浦實(shí)現(xiàn)布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)后在激光諧振腔作用下形成燈泵銣氣體激光；步驟202、利用燈泵銣氣體激光對(duì)設(shè)置在微波腔內(nèi)的銣泡進(jìn)行激光抽運(yùn)，并利用燈 泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的銣原子在微波腔中與微波場(chǎng)相互作用而發(fā)生躍遷的躍遷幾率， 根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入微波腔的微波頻率，使饋入微波腔內(nèi)的微波頻率鎖定在銣 原子的鐘躍遷頻率上，并提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。本發(fā)明實(shí)施例提供的燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法與已有的利 用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘相比，本發(fā)明通過利用燈泵銣氣體激光在銣的躍遷譜 線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出頻率上；由于燈泵銣氣體激光的頻率在失鎖的狀態(tài)下 仍然是工作在銣躍遷譜線展寬譜上，因此即使燈泵銣氣體激光的頻率發(fā)生失鎖，也可以快 速地將燈泵銣氣體激光鎖定在所需的輸出頻率上；此外，由于銣氣體無極燈有著預(yù)期二十 年的壽命，進(jìn)一步保證了本發(fā)明所述的用燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的銣原子鐘的長(zhǎng)壽命。進(jìn)一步地，在上述圖2所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上，利用所述燈泵銣氣體激光來檢測(cè)抽 運(yùn)后的銣原子在所述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的幾率具體可以通過如下方式 實(shí)現(xiàn)將所述抽運(yùn)后的銣原子與調(diào)節(jié)到所述銣原子的躍遷頻率對(duì)應(yīng)的所述微波腔體內(nèi) 的微波場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生第一能級(jí)與第二能級(jí)之間的原子躍遷；進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)施例中 所述的第一能級(jí)與第二能級(jí)為相對(duì)的概念，僅表示兩個(gè)鐘躍遷的能級(jí)，例如若第一能級(jí)為 F = 2, mF = 0態(tài)，則第二能級(jí)為F = 1，mF = 0態(tài)，若第一能級(jí)為F = 1，mF = 0態(tài)，則第二 能級(jí)為F = 2，mF = 0態(tài)；根據(jù)光電探測(cè)器探測(cè)到的銣原子在所述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生的躍遷 幾率。進(jìn)一步地，可以利用光電探測(cè)器測(cè)量所述燈泵銣氣體激光的強(qiáng)度變化探測(cè)得到躍遷幾率。此外，在上述圖2所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上，為了穩(wěn)定輸出頻率，在執(zhí)行步驟202之前， 還可以先將燈泵銣氣體激光進(jìn)行穩(wěn)頻處理，具體過程可以為燈泵銣氣體激光的一部分由 反射鏡反射到穩(wěn)頻系統(tǒng)后，經(jīng)過耦合鏡和設(shè)置在耦合鏡上的壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光諧振腔的腔 長(zhǎng)穩(wěn)定燈泵銣氣體激光的輸出頻率。進(jìn)一步地，在上述圖2所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上，可以以脈沖形式對(duì)本發(fā)明所述的燈 泵銣氣體激光進(jìn)行抽運(yùn)，具體工作方式燈泵銣氣體激光以短脈沖方式抽運(yùn)氣泡中的銣原 子到F = 2態(tài)或F = 1態(tài)后停止，在時(shí)序上接著開始兩個(gè)時(shí)間序上分開的微波脈沖激發(fā)F =2，mF = 0態(tài)和F = 1，mF = 0態(tài)之間的躍遷，再之后以燈泵銣氣體激光的一個(gè)弱光脈沖 進(jìn)行檢測(cè)。因此，上述每一個(gè)工作周期是氣體激光抽運(yùn)，在時(shí)序上分開的雙微波脈沖鐘躍 遷激發(fā)，然后實(shí)施氣體激光光脈沖檢測(cè)。原子鐘的所有工作時(shí)序由電路中的程序控制，該種 工作方式可以較大程度上消除激光帶來的光頻移。進(jìn)一步地，在上述圖2所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上，燈泵銣氣體激光工作在銣原子的譜線上，例如波長(zhǎng)在794. 8納米或者780納米的銣譜線上。微波腔內(nèi)的微波的頻率值鎖定在銣原子的鐘躍遷頻率上。進(jìn)一步地，上述具體的實(shí)施方法也包括基于本發(fā)明相同技術(shù)的其它堿金屬原子的 氣泡型原子鐘系統(tǒng)，如原理和結(jié)構(gòu)相同的銫原子氣泡型原子鐘，即燈泵銫氣體激光抽運(yùn)的 氣泡型銫原子鐘。圖3為本發(fā)明銣原子鐘一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例中的 銣原子鐘具體包括依次設(shè)置的銣氣體無極燈1、濾光裝置2、聚焦透鏡3，產(chǎn)生在第一激發(fā) 態(tài)到基態(tài)之間躍遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷41的激光諧振腔4，激光諧振腔4的一端 靠近聚焦透鏡3設(shè)置有激光高反泵浦光透射鏡42，激光諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷41設(shè) 置有耦合透鏡43 ；設(shè)置于激光諧振腔4內(nèi)的原子汽室5，原子汽室5內(nèi)充有與銣氣體無極燈1內(nèi)相同 的銣蒸汽氣體，并混合有用于與原子汽室5內(nèi)的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣 體分子，形成燈泵銣氣體激光；設(shè)置于微波腔6體內(nèi)的帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有緩沖氣體的銣泡61，利用燈 泵銣氣體激光對(duì)銣泡61進(jìn)行抽運(yùn)，并利用燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的銣原子在微波腔6 中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入所述微波腔的 微波頻率，使饋入微波腔6內(nèi)的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，從而提供標(biāo)準(zhǔn)頻率 輸出。進(jìn)一步地，可以利用光電探測(cè)器測(cè)量所述燈泵銣氣體激光的強(qiáng)度變化探測(cè)得到躍遷 幾率。本發(fā)明實(shí)施例提供的銣原子鐘，與已有的利用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘 相比，本發(fā)明通過利用燈泵銣氣體激光在銣的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出 頻率上；由于燈泵銣氣體激光的頻率在失鎖的狀態(tài)下仍然是工作在銣躍遷譜線展寬譜上， 因此即使燈泵銣氣體激光的頻率發(fā)生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體激光鎖定在所需的 輸出頻率上；此外，由于銣氣體無極燈有著預(yù)期二十年的壽命，進(jìn)一步保證了本發(fā)明所述的 用燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的銣原子鐘的長(zhǎng)壽命。圖4為本發(fā)明銣原子鐘另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，依次設(shè)置的銣氣 體無極燈1、濾光裝置2、聚焦透鏡3，產(chǎn)生在第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)之間躍遷譜線的泵浦光源， 其中，濾光裝置2具體可以干涉濾波片、銣同位素原子濾光泡、或者基于法拉第效應(yīng)的原子 濾光器等滿足濾光要求的器件；帶壓電陶瓷41的激光諧振腔4，激光諧振腔4的一端靠近 聚焦透鏡3設(shè)置有激光高反泵浦光透射鏡42，激光諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷41設(shè)置有 耦合透鏡43 ；激光高反泵浦光透射鏡42作為激光諧振腔4與泵浦光耦合進(jìn)激光介質(zhì)，耦合 透鏡43作為激光諧振腔的一部分，也可以反射泵浦光。激光諧振腔4的腔長(zhǎng)由連接在耦合 透鏡43上的壓電陶瓷41來調(diào)節(jié)。設(shè)置于激光諧振腔4內(nèi)的原子汽室5，原子汽室5內(nèi)充有與銣氣體無極燈1內(nèi)相同 的銣蒸汽氣體，并混合有用于與原子汽室5內(nèi)的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣 體分子，形成燈泵銣氣體激光；原子汽室5的兩個(gè)玻璃端面鍍有增透膜，用以減低對(duì)泵浦光 和激光的損耗。激光諧振腔4與微波腔6之間還設(shè)置有反射鏡7與穩(wěn)頻系統(tǒng)8 ；燈泵銣氣體激光 的一部分由反射鏡7反射到穩(wěn)頻系統(tǒng)8后，經(jīng)過耦合透鏡43和設(shè)置在耦合透鏡43上的壓電陶瓷41調(diào)節(jié)激光諧振腔4的腔長(zhǎng)穩(wěn)定燈泵銣氣體激光的輸出頻率；利用穩(wěn)定的輸出頻率鎖定在銣原子譜上的燈泵銣氣體激光的經(jīng)過反射鏡7透射后對(duì)置于微波腔6體內(nèi)的帶有直 流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有所需緩沖氣體的銣泡61進(jìn)行抽運(yùn)。設(shè)置于微波腔6體內(nèi)的帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有緩沖氣體的銣泡61，利用燈 泵銣氣體激光對(duì)銣泡61進(jìn)行抽運(yùn)，并利用燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的銣原子在微波腔6 中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)光電探測(cè)器9測(cè)量到的躍遷幾率的信號(hào)變 化來鎖定饋入微波腔的微波頻率，使微波腔6內(nèi)的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上。此外，本發(fā)明實(shí)施例中的銣原子鐘還包括光電探測(cè)器9和微波頻率控制電路10 ； 光電探測(cè)器9探測(cè)到的激光強(qiáng)度變化信號(hào)經(jīng)微波頻率控制電路10來控制饋入微波腔6與 銣原子相互作用的微波源的頻率，將微波源的頻率鎖定在銣原子基態(tài)兩個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)第 一態(tài)到第二態(tài)之間的鐘躍遷頻率上。本發(fā)明實(shí)施例提供的銣原子鐘，與已有的利用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘 相比，本發(fā)明通過利用燈泵銣氣體激光在銣的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出 頻率上；由于燈泵銣氣體激光的頻率在失鎖的狀態(tài)下仍然是工作在銣躍遷譜線展寬譜上， 因此即使燈泵銣氣體激光的頻率發(fā)生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體激光鎖定在所需的 輸出頻率上。下面對(duì)圖4所示實(shí)施例中的銣原子鐘的工作原理進(jìn)行示例性說明，具體地，在激 光諧振腔4的反饋?zhàn)饔孟?，波長(zhǎng)在銣D1或D2譜線上的燈泵銣氣體激光由反射鏡7部分反射 輸出到穩(wěn)頻系統(tǒng)8而穩(wěn)頻，經(jīng)過耦合透鏡43和設(shè)置在耦合透鏡43上的壓電陶瓷41來調(diào)節(jié) 激光諧振腔4腔長(zhǎng)對(duì)燈泵銣氣體激光的輸出頻率進(jìn)行穩(wěn)定。然后用穩(wěn)定后的輸出頻率鎖定 在銣原子譜上的燈泵銣原子氣體激光的經(jīng)過反射鏡7透射后對(duì)置于微波腔6體內(nèi)部帶有直 流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有所需緩沖氣體的銣泡61進(jìn)行抽運(yùn)，光電探測(cè)器9探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)微 波頻率控制電路10來控制饋入微波腔6與銣原子相互作用的微波源11的頻率，即將微波 源11的頻率鎖定在銣原子基態(tài)兩個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)F = 2，mF = 0態(tài)到F = 1，mF = 0態(tài)之 間的躍遷頻率上，最終實(shí)現(xiàn)銣原子鐘，提供量子頻率標(biāo)準(zhǔn)?？商鎿Q地，也包括以脈沖形式對(duì)本發(fā)明所述的燈泵銣氣體激光進(jìn)行抽運(yùn)，具體工 作方式燈泵銣氣體激光以短脈沖方式抽運(yùn)氣泡中的銣原子到F = 2態(tài)或F = 1態(tài)后停止， 在時(shí)序上接著開始兩個(gè)時(shí)間序上分開的微波脈沖激發(fā)F = 2，mF = 0態(tài)和F = 1，mF = 0態(tài) 之間鐘躍遷，再之后以燈泵銣氣體激光的一個(gè)弱光脈沖用來檢測(cè)。這樣每一個(gè)工作周期是 氣體激光抽運(yùn)，時(shí)序上分開的雙微波脈沖鐘躍遷激發(fā)，然后氣體激光光脈沖檢測(cè)。原子鐘 的所有工作時(shí)序由電路中的程序控制，該種工作方式可以較大程度上消除激光帶來的光頻 移。圖5為本發(fā)明銣原子鐘再一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例中 的銣原子鐘具體包括依次設(shè)置的銣氣體無極燈1、濾光裝置2、聚焦透鏡3，產(chǎn)生在第一激 發(fā)態(tài)到基態(tài)之間躍遷譜線的泵浦光源，其中，濾光裝置2具體可以干涉濾波片、銣同位素原 子濾光泡、或者基于法拉第效應(yīng)的原子濾光器等滿足濾光要求的器件；帶壓電陶瓷41的激 光諧振腔4，激光諧振腔4的一端靠近聚焦透鏡3設(shè)置有激光高反泵浦光透射鏡42，激光諧 振腔的另一端靠近壓電陶瓷41設(shè)置有耦合透鏡43 ；設(shè)置于激光諧振腔4內(nèi)的原子汽室5，原子汽室5內(nèi)充有與銣氣體無極燈1內(nèi)相同的銣蒸汽氣體，并混合有用于與原子汽室5內(nèi)的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣體分子，形成燈泵銣氣體激光；設(shè)置于微波腔6體內(nèi)的帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有緩沖氣體的銣泡61，利用燈 泵銣氣體激光對(duì)銣泡61進(jìn)行抽運(yùn)，并利用燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的銣原子在微波腔6 中與微波場(chǎng)發(fā)生相互作用產(chǎn)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入微波腔6 的微波頻率，使饋入微波腔6內(nèi)的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上?？刂齐娐废到y(tǒng)12用于控制銣泡61的溫度和磁場(chǎng)；銣泡61中銣原子收到抽運(yùn)后形 成的基態(tài)5s2S1/2 F = 2能級(jí)和5S 2S1/2 F= 1能級(jí)之間的布居數(shù)反轉(zhuǎn)，在高Q值微波腔 體內(nèi)形成受微波激發(fā)射，輸出給接收機(jī)13，從而提供燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的氣泡型微波激 射器銣原子鐘。本發(fā)明實(shí)施例提供的銣原子鐘，與已有的利用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘 相比，本發(fā)明通過利用燈泵銣氣體激光在銣的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出 頻率上；由于燈泵銣氣體激光的頻率在失鎖的狀態(tài)下仍然是工作在銣躍遷譜線展寬譜上， 因此即使燈泵銣氣體激光的頻率發(fā)生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體激光鎖定在所需的 輸出頻率上；此外，由于銣氣體無極燈有著預(yù)期二十年的壽命，進(jìn)一步保證了本發(fā)明所述的 用燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的銣原子鐘的長(zhǎng)壽命。其中，利用銣氣體無極燈1的燈光通過濾光裝置2的濾光，以及聚焦透鏡3的聚焦 后的泵浦光經(jīng)過激光高反泵浦光透射鏡42對(duì)原子汽室5中的銣氣體原子進(jìn)行泵浦，原子汽 室5中的銣氣體原子躍遷到5p 2Pv2激發(fā)態(tài)；通過其他氣體原子和/或氣體分子與原子汽室 5中的銣氣體原子的碰撞作用，原子汽室5中的銣蒸汽氣體原子從5p 2Pv2激發(fā)態(tài)遷移至5p 2P1/2激發(fā)態(tài)，形成5p 2P1/2激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)；在激光諧振腔4的反饋?zhàn)饔孟拢?激光諧振腔4輸出5p 2P172激發(fā)態(tài)到基態(tài)之間躍遷譜線對(duì)應(yīng)頻率的燈泵銣氣體激光；輸出 的燈泵銣氣體激光通過反射鏡7的部分反射后其頻率通過穩(wěn)頻系統(tǒng)8鎖定在基態(tài)5s 2S172F =1到激發(fā)態(tài)5p 2P172F = 2的能級(jí)躍遷譜線上，一部分直接通過反射鏡7的穩(wěn)頻激光用于 對(duì)置于高Q值微波腔體內(nèi)部帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有所需緩沖氣體的銣泡61進(jìn)行抽 運(yùn)；銣泡61的溫度和磁場(chǎng)通過控制電路系統(tǒng)12控制；銣泡61中原子收到抽運(yùn)后形成的基 態(tài)5s 2S172 F = 2能級(jí)和5s 2Sv2F= 1能級(jí)之間的布居數(shù)反轉(zhuǎn)，在高Q值微波腔6體內(nèi)形 成受微波激發(fā)射，輸出給接收機(jī)13，從而提供燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的氣泡型微波激射器銣 原子鐘。上述圖3 圖5所示實(shí)施例中，燈泵銣氣體激光的工作波長(zhǎng)在794. 8納米或者780 納米的譜線上，微波腔內(nèi)的銣泡的頻率值鎖定在銣原子的躍遷頻率上。通過上述本發(fā)明實(shí)施例可知，采用銣氣體無極燈泵浦的燈泵銣氣體激光確保了銣 原子鐘的所用激光光源的頻率穩(wěn)定性和穩(wěn)頻的簡(jiǎn)單化，由于不需要對(duì)激光的波長(zhǎng)或頻率進(jìn) 行過于復(fù)雜的控制即可以使銣原子鐘長(zhǎng)期連續(xù)工作，因此提高了銣原子鐘輸出頻率的長(zhǎng)期 穩(wěn)定性和銣原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。最后，對(duì)于這種用燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘可能作出并未脫離所附 權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的各種變更和改型。更具體地說，本發(fā)明可以用不同原子譜線對(duì) 應(yīng)的波長(zhǎng)的燈泵銣氣體激光實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)和檢測(cè)的氣泡型銣原子鐘，而且，工作方式也可以是 脈沖方式。另外，這種用燈泵氣體激光來實(shí)現(xiàn)激光抽運(yùn)氣泡型銣原子鐘也適用于其他堿金屬氣體原子，包括銫。在原理不變的情況下，結(jié)構(gòu)上的小型化的燈泵銣氣體激光抽運(yùn)的氣泡型銣原子鐘，也在本發(fā)明所討論的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。 最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡 管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然 可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替 換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精 神和范圍。
權(quán)利要求
一種燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法，其特征在于，包括將銣氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對(duì)原子汽室中的銣氣體原子進(jìn)行泵浦實(shí)現(xiàn)布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)后在激光諧振腔作用下形成燈泵銣氣體激光；利用所述燈泵銣氣體激光對(duì)設(shè)置在微波腔內(nèi)的銣泡進(jìn)行激光抽運(yùn)，并利用所述燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的所述銣原子在所述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入所述微波腔的微波頻率，使所述饋入微波腔的微波頻率鎖定在所述銣原子的鐘躍遷頻率上，并提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn) 后的所述銣原子在所述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生躍遷的躍遷幾率包括將所述抽運(yùn)后的所述銣原子與調(diào)節(jié)到所述銣原子的躍遷頻率對(duì)應(yīng)的所述微波腔體內(nèi) 的微波場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生第一能級(jí)與第二能級(jí)之間的原子躍遷；根據(jù)光電探測(cè)器探測(cè)到的銣原子在所述微波腔中與微波場(chǎng)相互作用發(fā)生的躍遷幾率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用燈泵銣氣體激光對(duì)設(shè)置在微波 腔內(nèi)的銣泡進(jìn)行激光抽運(yùn)之前還包括所述燈泵銣氣體激光的一部分由反射鏡反射到穩(wěn)頻系統(tǒng)后，經(jīng)過所述耦合鏡和設(shè)置在 所述耦合鏡上的壓電陶瓷調(diào)節(jié)所述激光諧振腔的腔長(zhǎng)穩(wěn)定所述燈泵銣氣體激光的輸出頻 率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一所述的方法，其特征在于所述燈泵銣氣體激光工作在所 述銣原子的譜線上，所述微波腔內(nèi)的微波頻率值鎖定在所述銣原子的鐘躍遷頻率上。
5.一種銣原子鐘，其特征在于，包括依次設(shè)置的銣氣體無極燈、濾光裝置、聚焦透鏡，用于產(chǎn)生在第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)之間躍 遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷的激光諧振腔，所述激光諧振腔的一端靠近所述聚焦透鏡設(shè)置有激光高反 泵浦光透射鏡，所述激光諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷設(shè)置有耦合透鏡；設(shè)置于所述激光諧振腔內(nèi)的原子汽室，所述原子汽室內(nèi)充有與所述銣氣體無極燈內(nèi)相 同的銣蒸汽氣體，并混合有用于與所述原子汽室內(nèi)的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/ 或氣體分子，形成燈泵銣氣體激光；設(shè)置于微波腔體內(nèi)的帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有緩沖氣體的銣泡，利用所述燈泵銣 氣體激光對(duì)所述銣泡進(jìn)行抽運(yùn)，并利用所述燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的所述銣原子在所 述微波腔中與微波場(chǎng)發(fā)生相互作用產(chǎn)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)測(cè)量到的躍遷幾率鎖定饋入 所述微波腔的微波頻率，使所述饋入微波腔內(nèi)的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，從 而提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銣原子鐘，其特征在于，所述原子汽室的兩個(gè)玻璃端面鍍有 增透膜，用以減低對(duì)泵浦光和激光的損耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銣原子鐘，其特征在于，所述激光諧振腔與所述微波腔之間 還設(shè)置有反射鏡與穩(wěn)頻系統(tǒng)；所述燈泵銣氣體激光的一部分由所述反射鏡反射到所述穩(wěn)頻系統(tǒng)后，經(jīng)過所述耦合鏡 和設(shè)置在所述耦合鏡上的壓電陶瓷調(diào)節(jié)所述激光諧振腔的腔長(zhǎng)穩(wěn)定所述燈泵銣氣體激光 的輸出頻率；利用所述輸出頻率鎖定在銣原子譜上的燈泵銣氣體激光的經(jīng)過所述反射鏡透射后對(duì)置于所述微波腔體內(nèi)的帶有直流磁場(chǎng)和磁屏蔽的充有所需緩沖氣體的銣泡進(jìn)行抽 運(yùn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銣原子鐘，其特征在于，還包括光電探測(cè)器和微波頻率控制 電路；所述光電探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)所述微波頻率控制電路來控制饋入所述微波腔與銣 原子相互作用的微波源的頻率，將所述微波源的頻率鎖定在所述銣原子基態(tài)兩個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu) 能級(jí)第一態(tài)到第二態(tài)之間的鐘躍遷頻率上。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銣原子鐘，其特征在于，還包括控制電路系統(tǒng)，用于控制所 述銣泡的溫度和磁場(chǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5 9任一所述的銣原子鐘，其特征在于，所述燈泵銣氣體激光的工 作波長(zhǎng)在如794. 8納米或者780納米的銣原子譜線上，所述微波腔內(nèi)微波的頻率值鎖定在 所述銣原子的躍遷頻率上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燈泵銣氣體激光抽運(yùn)銣泡輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法及銣原子鐘，方法包括將銣氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對(duì)原子汽室中的銣氣體原子進(jìn)行泵浦實(shí)現(xiàn)布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)后在激光諧振腔作用下形成燈泵銣氣體激光；利用燈泵銣氣體激光對(duì)設(shè)置在微波腔內(nèi)的銣泡進(jìn)行激光抽運(yùn)，并利用燈泵銣氣體激光檢測(cè)抽運(yùn)后的銣原子在微波腔中與微波場(chǎng)發(fā)生相互作用發(fā)生躍遷的躍遷幾率，根據(jù)檢測(cè)到的躍遷幾率鎖定饋入微波腔的微波頻率，使饋入微波腔的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上。本發(fā)明實(shí)施例，由于燈泵銣氣體激光的頻率在失鎖的狀態(tài)下仍工作在銣躍遷譜線展寬譜上，因此即使燈泵銣氣體激光的頻率發(fā)生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體激光鎖定在所需的激光頻率上。
文檔編號(hào)H03L7/26GK101846965SQ20101016339
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者陳景標(biāo) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)