燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法及銣原子鐘的製作方法

2023-10-18 05:15:49 3

專利名稱：燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法及銣原子鐘的製作方法
技術領域：
本發明涉及原子鐘與頻率標準技術，具體涉及一種燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法及銣原子鐘，屬於雷射技術領域。
背景技術：
經過半個世紀的發展，國際上氣泡型銣原子鐘利用銣原子譜燈進行光抽運和光檢 測的銣原子鐘已經達到了性能極限。為了突破銣原子鐘已經達到的性能極限，克服銣原子 譜燈光抽運銣原子鐘時的低信噪比、低抽運效率以及抽運譜燈的光強和光譜線型隨時間變 化帶來的原子鐘頻率穩定度的惡化，現有技術通過採用半導體雷射代替銣譜燈進行光抽運 和光檢測。由於利用雷射抽運和檢測的銣原子鐘所利用的半導體雷射器工作在銣原子794. 8 納米(D1)或780納米(D2)譜線上，增益帶寬達到了數個納米(nm)的寬度。為了使半導體 雷射器在銣原子鐘系統上得到應用，必須通過穩頻技術調節半導體雷射器的輸出波長，使 半導體雷射器能夠與銣原子的794. 8納米(D1)或780納米(D2)譜中的一條躍遷線共振並 使半導體雷射器鎖定在該譜線上，例如鎖定在銣87原子的基態5s 2S172F = 1能級到激發 態5p 2P372F = 2能級躍遷頻率上。進一步地，即使半導體雷射器鎖定在銣譜線上，半導體激 光器仍然會由于振動、溫度變化等原因失鎖並且其工作頻率漂移以致離開銣原子譜線，最 終導致沒有人工的再次幹預檢查就無法自動重新將半導體雷射器鎖定在所需的銣譜線上， 這對於半導體雷射抽運銣原子鐘作自主應用時是個無法克服的限制。半導體雷射器的上述 缺陷給半導體雷射抽運銣原子鐘帶來極大的系統長期工作穩定性的隱患。

發明內容
本發明的目的在於提供一種燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法及銣 原子鐘，提高抽運銣原子鐘的信噪比、抽運效率，並克服頻率穩定度漂移等缺點。為實現上述目的，本發明提供了一種燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方 法，包括將銣氣體無極燈濾光後作為泵浦光源對原子汽室中的銣氣體原子進行泵浦實現 布局數反轉後在雷射諧振腔作用下形成燈泵銣氣體雷射；利用所述燈泵銣氣體雷射對設置在微波腔內的銣泡進行雷射抽運，並利用所述燈 泵銣氣體雷射檢測抽運後的所述銣原子在所述微波腔中與微波場相互作用發生躍遷的躍 遷機率，根據測量到的躍遷機率鎖定饋入所述微波腔的微波頻率，使所述微波腔內的微波 頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，從而提供標準頻率輸出。為實現上述目的，本發明提供了一種銣原子鐘，包括依次設置的銣氣體無極燈、濾光裝置、聚焦透鏡，用於產生在第一激發態到基態之 間躍遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷的雷射諧振腔，所述雷射諧振腔的一端靠近所述聚焦透鏡設置有雷射高反泵浦光投射鏡，所述雷射諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷設置有耦合透鏡；設置於所述雷射諧振腔內的原子汽室，所述原子汽室內充有與所述銣氣體無極燈內的銣蒸汽氣體，並混合有用於與所述原子汽室內的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/ 或氣體分子，形成燈泵銣氣體雷射；設置於微波腔體內的帶有直流磁場和磁屏蔽的充有緩衝氣體的銣泡，利用所述燈 泵銣氣體雷射對所述銣泡進行抽運，並利用所述燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的銣原子在所 述微波腔中與微波場相互作用發生躍遷的躍遷機率，根據測量到的躍遷機率鎖定饋入所述 微波腔的微波頻率，使所述饋入微波腔內的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，並提供 標準頻率輸出。上述本發明提供的燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法及銣原子鐘，與 已有的利用半導體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘相比，本發明通過利用燈泵銣氣體雷射在銣 的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出頻率上；由於燈泵銣氣體雷射的頻率在失鎖 的狀態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雷射的頻率發生失鎖， 也可以快速地將燈泵銣氣體雷射鎖定在所需的輸出頻率上；此外，由於銣氣體無極燈有著 預期二十年的壽命，進一步保證了本發明所述的用燈泵銣氣體雷射抽運的銣原子鐘的長壽 命。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為現有銣原子能級的結構示意；圖2為本發明燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法實施例的流程示意 圖；圖3為本發明銣原子鐘一個實施例的結構示意圖；圖4為本發明銣原子鐘另一個實施例的結構示意圖；圖5為本發明銣原子鐘再一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。圖1為現有銣原子能級的結構示意，如圖1所示，抽運和檢測的雷射可以是794. 8 納米(D1)譜線的雷射，也可以是780納米(D2)譜線的雷射；5p 2P372到基態5s 2S172的躍遷 譜線成為780納米(D2)譜線，其中5p 2P172到基態5s 2S172的躍遷譜線成為794. 8納米(D1) 譜線。本發明實施例為描述方便，將銣原子在780納米(D2)譜線上泵浦，在794. 8納米(D1) 譜線輸出的銣氣體雷射作為抽運和檢測雷射為例子來解釋本發明氣泡型銣原子鐘的工作原理。此外，本發明實施例為描述方便，將本發明實施例所述的用銣氣體無極燈泵浦的銣氣體雷射簡稱為燈泵銣氣體雷射。圖2為本發明燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法實施例的流程示意 圖，如圖2所示，本發明實施例包括如下步驟步驟201、將銣氣體無極燈濾光後作為泵浦光源對原子汽室中的銣氣體原子進行 泵浦實現布局數反轉後在雷射諧振腔作用下形成燈泵銣氣體雷射；步驟202、利用燈泵銣氣體雷射對設置在微波腔內的銣泡進行雷射抽運，並利用燈 泵銣氣體雷射檢測抽運後的銣原子在微波腔中與微波場相互作用而發生躍遷的躍遷機率， 根據測量到的躍遷機率鎖定饋入微波腔的微波頻率，使饋入微波腔內的微波頻率鎖定在銣 原子的鐘躍遷頻率上，並提供標準頻率輸出。本發明實施例提供的燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法與已有的利 用半導體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘相比，本發明通過利用燈泵銣氣體雷射在銣的躍遷譜 線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出頻率上；由於燈泵銣氣體雷射的頻率在失鎖的狀態下 仍然是工作在銣躍遷譜線展寬譜上，因此即使燈泵銣氣體雷射的頻率發生失鎖，也可以快 速地將燈泵銣氣體雷射鎖定在所需的輸出頻率上；此外，由於銣氣體無極燈有著預期二十 年的壽命，進一步保證了本發明所述的用燈泵銣氣體雷射抽運的銣原子鐘的長壽命。進一步地，在上述圖2所示實施例的基礎上，利用所述燈泵銣氣體雷射來檢測抽 運後的銣原子在所述微波腔中與微波場相互作用發生躍遷的機率具體可以通過如下方式 實現將所述抽運後的銣原子與調節到所述銣原子的躍遷頻率對應的所述微波腔體內 的微波場相互作用，產生第一能級與第二能級之間的原子躍遷；進一步地，本發明實施例中 所述的第一能級與第二能級為相對的概念，僅表示兩個鍾躍遷的能級，例如若第一能級為 F = 2, mF = 0態，則第二能級為F = 1，mF = 0態，若第一能級為F = 1，mF = 0態，則第二 能級為F = 2，mF = 0態；根據光電探測器探測到的銣原子在所述微波腔中與微波場相互作用發生的躍遷 機率。進一步地，可以利用光電探測器測量所述燈泵銣氣體雷射的強度變化探測得到躍遷機率。此外，在上述圖2所示實施例的基礎上，為了穩定輸出頻率，在執行步驟202之前， 還可以先將燈泵銣氣體雷射進行穩頻處理，具體過程可以為燈泵銣氣體雷射的一部分由 反射鏡反射到穩頻系統後，經過耦合鏡和設置在耦合鏡上的壓電陶瓷調節雷射諧振腔的腔 長穩定燈泵銣氣體雷射的輸出頻率。進一步地，在上述圖2所示實施例的基礎上，可以以脈衝形式對本發明所述的燈 泵銣氣體雷射進行抽運，具體工作方式燈泵銣氣體雷射以短脈衝方式抽運氣泡中的銣原 子到F = 2態或F = 1態後停止，在時序上接著開始兩個時間序上分開的微波脈衝激發F =2，mF = 0態和F = 1，mF = 0態之間的躍遷，再之後以燈泵銣氣體雷射的一個弱光脈衝 進行檢測。因此，上述每一個工作周期是氣體雷射抽運，在時序上分開的雙微波脈衝鍾躍 遷激發，然後實施氣體雷射光脈衝檢測。原子鐘的所有工作時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雷射帶來的光頻移。進一步地，在上述圖2所示實施例的基礎上，燈泵銣氣體雷射工作在銣原子的譜線上，例如波長在794. 8納米或者780納米的銣譜線上。微波腔內的微波的頻率值鎖定在銣原子的鐘躍遷頻率上。進一步地，上述具體的實施方法也包括基於本發明相同技術的其它鹼金屬原子的 氣泡型原子鐘系統，如原理和結構相同的銫原子氣泡型原子鐘，即燈泵銫氣體雷射抽運的 氣泡型銫原子鐘。圖3為本發明銣原子鐘一個實施例的結構示意圖，如圖3所示，本發明實施例中的 銣原子鐘具體包括依次設置的銣氣體無極燈1、濾光裝置2、聚焦透鏡3，產生在第一激發 態到基態之間躍遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷41的雷射諧振腔4，雷射諧振腔4的一端 靠近聚焦透鏡3設置有雷射高反泵浦光透射鏡42，雷射諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷41設 置有耦合透鏡43 ；設置於雷射諧振腔4內的原子汽室5，原子汽室5內充有與銣氣體無極燈1內相同 的銣蒸汽氣體，並混合有用於與原子汽室5內的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣 體分子，形成燈泵銣氣體雷射；設置於微波腔6體內的帶有直流磁場和磁屏蔽的充有緩衝氣體的銣泡61，利用燈 泵銣氣體雷射對銣泡61進行抽運，並利用燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的銣原子在微波腔6 中與微波場相互作用發生躍遷的躍遷機率，根據測量到的躍遷機率鎖定饋入所述微波腔的 微波頻率，使饋入微波腔6內的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，從而提供標準頻率 輸出。進一步地，可以利用光電探測器測量所述燈泵銣氣體雷射的強度變化探測得到躍遷 機率。本發明實施例提供的銣原子鐘，與已有的利用半導體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘 相比，本發明通過利用燈泵銣氣體雷射在銣的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出 頻率上；由於燈泵銣氣體雷射的頻率在失鎖的狀態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雷射的頻率發生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體雷射鎖定在所需的 輸出頻率上；此外，由於銣氣體無極燈有著預期二十年的壽命，進一步保證了本發明所述的 用燈泵銣氣體雷射抽運的銣原子鐘的長壽命。圖4為本發明銣原子鐘另一個實施例的結構示意圖，如圖4所示，依次設置的銣氣 體無極燈1、濾光裝置2、聚焦透鏡3，產生在第一激發態到基態之間躍遷譜線的泵浦光源， 其中，濾光裝置2具體可以幹涉濾波片、銣同位素原子濾光泡、或者基於法拉第效應的原子 濾光器等滿足濾光要求的器件；帶壓電陶瓷41的雷射諧振腔4，雷射諧振腔4的一端靠近 聚焦透鏡3設置有雷射高反泵浦光透射鏡42，雷射諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷41設置有 耦合透鏡43 ；雷射高反泵浦光透射鏡42作為雷射諧振腔4與泵浦光耦合進雷射介質，耦合 透鏡43作為雷射諧振腔的一部分，也可以反射泵浦光。雷射諧振腔4的腔長由連接在耦合 透鏡43上的壓電陶瓷41來調節。設置於雷射諧振腔4內的原子汽室5，原子汽室5內充有與銣氣體無極燈1內相同 的銣蒸汽氣體，並混合有用於與原子汽室5內的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣 體分子，形成燈泵銣氣體雷射；原子汽室5的兩個玻璃端面鍍有增透膜，用以減低對泵浦光 和雷射的損耗。雷射諧振腔4與微波腔6之間還設置有反射鏡7與穩頻系統8 ；燈泵銣氣體雷射 的一部分由反射鏡7反射到穩頻系統8後，經過耦合透鏡43和設置在耦合透鏡43上的壓電陶瓷41調節雷射諧振腔4的腔長穩定燈泵銣氣體雷射的輸出頻率；利用穩定的輸出頻率鎖定在銣原子譜上的燈泵銣氣體雷射的經過反射鏡7透射後對置於微波腔6體內的帶有直 流磁場和磁屏蔽的充有所需緩衝氣體的銣泡61進行抽運。設置於微波腔6體內的帶有直流磁場和磁屏蔽的充有緩衝氣體的銣泡61，利用燈 泵銣氣體雷射對銣泡61進行抽運，並利用燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的銣原子在微波腔6 中與微波場相互作用發生躍遷的躍遷機率，根據光電探測器9測量到的躍遷機率的信號變 化來鎖定饋入微波腔的微波頻率，使微波腔6內的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上。此外，本發明實施例中的銣原子鐘還包括光電探測器9和微波頻率控制電路10 ； 光電探測器9探測到的雷射強度變化信號經微波頻率控制電路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兩個精細結構能級第 一態到第二態之間的鐘躍遷頻率上。本發明實施例提供的銣原子鐘，與已有的利用半導體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘 相比，本發明通過利用燈泵銣氣體雷射在銣的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出 頻率上；由於燈泵銣氣體雷射的頻率在失鎖的狀態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雷射的頻率發生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體雷射鎖定在所需的 輸出頻率上。下面對圖4所示實施例中的銣原子鐘的工作原理進行示例性說明，具體地，在激 光諧振腔4的反饋作用下，波長在銣D1或D2譜線上的燈泵銣氣體雷射由反射鏡7部分反射 輸出到穩頻系統8而穩頻，經過耦合透鏡43和設置在耦合透鏡43上的壓電陶瓷41來調節 雷射諧振腔4腔長對燈泵銣氣體雷射的輸出頻率進行穩定。然後用穩定後的輸出頻率鎖定 在銣原子譜上的燈泵銣原子氣體雷射的經過反射鏡7透射後對置於微波腔6體內部帶有直 流磁場和磁屏蔽的充有所需緩衝氣體的銣泡61進行抽運，光電探測器9探測到的信號經微 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兩個精細結構能級F = 2，mF = 0態到F = 1，mF = 0態之 間的躍遷頻率上，最終實現銣原子鐘，提供量子頻率標準。可替換地，也包括以脈衝形式對本發明所述的燈泵銣氣體雷射進行抽運，具體工 作方式燈泵銣氣體雷射以短脈衝方式抽運氣泡中的銣原子到F = 2態或F = 1態後停止， 在時序上接著開始兩個時間序上分開的微波脈衝激發F = 2，mF = 0態和F = 1，mF = 0態 之間鍾躍遷，再之後以燈泵銣氣體雷射的一個弱光脈衝用來檢測。這樣每一個工作周期是 氣體雷射抽運，時序上分開的雙微波脈衝鍾躍遷激發，然後氣體雷射光脈衝檢測。原子鐘 的所有工作時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雷射帶來的光頻 移。圖5為本發明銣原子鐘再一個實施例的結構示意圖，如圖5所示，本發明實施例中 的銣原子鐘具體包括依次設置的銣氣體無極燈1、濾光裝置2、聚焦透鏡3，產生在第一激 發態到基態之間躍遷譜線的泵浦光源，其中，濾光裝置2具體可以幹涉濾波片、銣同位素原 子濾光泡、或者基於法拉第效應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，雷射諧振腔4的一端靠近聚焦透鏡3設置有雷射高反泵浦光透射鏡42，雷射諧 振腔的另一端靠近壓電陶瓷41設置有耦合透鏡43 ；設置於雷射諧振腔4內的原子汽室5，原子汽室5內充有與銣氣體無極燈1內相同的銣蒸汽氣體，並混合有用於與原子汽室5內的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣體分子，形成燈泵銣氣體雷射；設置於微波腔6體內的帶有直流磁場和磁屏蔽的充有緩衝氣體的銣泡61，利用燈 泵銣氣體雷射對銣泡61進行抽運，並利用燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的銣原子在微波腔6 中與微波場發生相互作用產生躍遷的躍遷機率，根據測量到的躍遷機率鎖定饋入微波腔6 的微波頻率，使饋入微波腔6內的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上。控制電路系統12用於控制銣泡61的溫度和磁場；銣泡61中銣原子收到抽運後形 成的基態5s2S1/2 F = 2能級和5S 2S1/2 F= 1能級之間的布居數反轉，在高Q值微波腔 體內形成受微波激發射，輸出給接收機13，從而提供燈泵銣氣體雷射抽運的氣泡型微波激 射器銣原子鐘。本發明實施例提供的銣原子鐘，與已有的利用半導體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘 相比，本發明通過利用燈泵銣氣體雷射在銣的躍遷譜線展寬譜上，容易鎖定在所需的輸出 頻率上；由於燈泵銣氣體雷射的頻率在失鎖的狀態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雷射的頻率發生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體雷射鎖定在所需的 輸出頻率上；此外，由於銣氣體無極燈有著預期二十年的壽命，進一步保證了本發明所述的 用燈泵銣氣體雷射抽運的銣原子鐘的長壽命。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 後的泵浦光經過雷射高反泵浦光透射鏡42對原子汽室5中的銣氣體原子進行泵浦，原子汽 室5中的銣氣體原子躍遷到5p 2Pv2激發態；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激發態遷移至5p 2P1/2激發態，形成5p 2P1/2激發態與基態之間的布局數反轉；在雷射諧振腔4的反饋作用下， 雷射諧振腔4輸出5p 2P172激發態到基態之間躍遷譜線對應頻率的燈泵銣氣體雷射；輸出 的燈泵銣氣體雷射通過反射鏡7的部分反射後其頻率通過穩頻系統8鎖定在基態5s 2S172F =1到激發態5p 2P172F = 2的能級躍遷譜線上，一部分直接通過反射鏡7的穩頻雷射用於 對置於高Q值微波腔體內部帶有直流磁場和磁屏蔽的充有所需緩衝氣體的銣泡61進行抽 運；銣泡61的溫度和磁場通過控制電路系統12控制；銣泡61中原子收到抽運後形成的基 態5s 2S172 F = 2能級和5s 2Sv2F= 1能級之間的布居數反轉，在高Q值微波腔6體內形 成受微波激發射，輸出給接收機13，從而提供燈泵銣氣體雷射抽運的氣泡型微波激射器銣 原子鐘。上述圖3 圖5所示實施例中，燈泵銣氣體雷射的工作波長在794. 8納米或者780 納米的譜線上，微波腔內的銣泡的頻率值鎖定在銣原子的躍遷頻率上。通過上述本發明實施例可知，採用銣氣體無極燈泵浦的燈泵銣氣體雷射確保了銣 原子鐘的所用雷射光源的頻率穩定性和穩頻的簡單化，由於不需要對雷射的波長或頻率進 行過於複雜的控制即可以使銣原子鐘長期連續工作，因此提高了銣原子鐘輸出頻率的長期 穩定性和銣原子鐘的長期穩定性。最後，對於這種用燈泵銣氣體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘可能作出並未脫離所附 權利要求書限定的本發明的各種變更和改型。更具體地說，本發明可以用不同原子譜線對 應的波長的燈泵銣氣體雷射實現抽運和檢測的氣泡型銣原子鐘，而且，工作方式也可以是 脈衝方式。另外，這種用燈泵氣體雷射來實現雷射抽運氣泡型銣原子鐘也適用於其他鹼金屬氣體原子，包括銫。在原理不變的情況下，結構上的小型化的燈泵銣氣體雷射抽運的氣泡型銣原子鐘，也在本發明所討論的權利要求範圍之內。 最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然 可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替 換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精 神和範圍。
權利要求
一種燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法，其特徵在於，包括將銣氣體無極燈濾光後作為泵浦光源對原子汽室中的銣氣體原子進行泵浦實現布局數反轉後在雷射諧振腔作用下形成燈泵銣氣體雷射；利用所述燈泵銣氣體雷射對設置在微波腔內的銣泡進行雷射抽運，並利用所述燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的所述銣原子在所述微波腔中與微波場相互作用發生躍遷的躍遷機率，根據測量到的躍遷機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，並提供標準頻率輸出。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用所述燈泵銣氣體雷射檢測抽運 後的所述銣原子在所述微波腔中與微波場相互作用發生躍遷的躍遷機率包括將所述抽運後的所述銣原子與調節到所述銣原子的躍遷頻率對應的所述微波腔體內 的微波場相互作用，產生第一能級與第二能級之間的原子躍遷；根據光電探測器探測到的銣原子在所述微波腔中與微波場相互作用發生的躍遷機率。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用燈泵銣氣體雷射對設置在微波 腔內的銣泡進行雷射抽運之前還包括所述燈泵銣氣體雷射的一部分由反射鏡反射到穩頻系統後，經過所述耦合鏡和設置在 所述耦合鏡上的壓電陶瓷調節所述雷射諧振腔的腔長穩定所述燈泵銣氣體雷射的輸出頻 率。
4.根據權利要求1 3任一所述的方法，其特徵在於所述燈泵銣氣體雷射工作在所 述銣原子的譜線上，所述微波腔內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，其特徵在於，包括依次設置的銣氣體無極燈、濾光裝置、聚焦透鏡，用於產生在第一激發態到基態之間躍 遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷的雷射諧振腔，所述雷射諧振腔的一端靠近所述聚焦透鏡設置有雷射高反 泵浦光透射鏡，所述雷射諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷設置有耦合透鏡；設置於所述雷射諧振腔內的原子汽室，所述原子汽室內充有與所述銣氣體無極燈內相 同的銣蒸汽氣體，並混合有用於與所述原子汽室內的銣氣體原子碰撞的其他氣體原子和/ 或氣體分子，形成燈泵銣氣體雷射；設置於微波腔體內的帶有直流磁場和磁屏蔽的充有緩衝氣體的銣泡，利用所述燈泵銣 氣體雷射對所述銣泡進行抽運，並利用所述燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的所述銣原子在所 述微波腔中與微波場發生相互作用產生躍遷的躍遷機率，根據測量到的躍遷機率鎖定饋入 所述微波腔的微波頻率，使所述饋入微波腔內的微波頻率鎖定在原子的鐘躍遷頻率上，從 而提供標準頻率輸出。
6.根據權利要求5所述的銣原子鐘，其特徵在於，所述原子汽室的兩個玻璃端面鍍有 增透膜，用以減低對泵浦光和雷射的損耗。
7.根據權利要求5所述的銣原子鐘，其特徵在於，所述雷射諧振腔與所述微波腔之間 還設置有反射鏡與穩頻系統；所述燈泵銣氣體雷射的一部分由所述反射鏡反射到所述穩頻系統後，經過所述耦合鏡 和設置在所述耦合鏡上的壓電陶瓷調節所述雷射諧振腔的腔長穩定所述燈泵銣氣體雷射 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雷射的經過所述反射鏡透射後對置於所述微波腔體內的帶有直流磁場和磁屏蔽的充有所需緩衝氣體的銣泡進行抽 運。
8.根據權利要求5所述的銣原子鐘，其特徵在於，還包括光電探測器和微波頻率控制 電路；所述光電探測器探測到的信號經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兩個精細結構 能級第一態到第二態之間的鐘躍遷頻率上。
9.根據權利要求5所述的銣原子鐘，其特徵在於，還包括控制電路系統，用於控制所 述銣泡的溫度和磁場。
10.根據權利要求5 9任一所述的銣原子鐘，其特徵在於，所述燈泵銣氣體雷射的工 作波長在如794. 8納米或者780納米的銣原子譜線上，所述微波腔內微波的頻率值鎖定在 所述銣原子的躍遷頻率上。
全文摘要
本發明涉及一種燈泵銣氣體雷射抽運銣泡輸出標準頻率的方法及銣原子鐘，方法包括將銣氣體無極燈濾光後作為泵浦光源對原子汽室中的銣氣體原子進行泵浦實現布局數反轉後在雷射諧振腔作用下形成燈泵銣氣體雷射；利用燈泵銣氣體雷射對設置在微波腔內的銣泡進行雷射抽運，並利用燈泵銣氣體雷射檢測抽運後的銣原子在微波腔中與微波場發生相互作用發生躍遷的躍遷機率，根據檢測到的躍遷機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。本發明實施例，由於燈泵銣氣體雷射的頻率在失鎖的狀態下仍工作在銣躍遷譜線展寬譜上，因此即使燈泵銣氣體雷射的頻率發生失鎖，也可以快速地將燈泵銣氣體雷射鎖定在所需的雷射頻率上。
文檔編號H03L7/26GK101846965SQ20101016339
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者陳景標 申請人:北京大學