一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法
阅读说明：本技术 一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法 (Integrating sphere quantum spin compression state cold atom microwave clock device and method ) 是由 王秀梅 陈景标 何进 王亮 刘亚轩 高连山 李春来 胡国庆 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法,涉及冷原子频标技术领域,本发明装置由内向外包括中心部分,中心部分为冷原子物理部分,外部为所需的光电部分和微波部分,其中冷原子物理由内到外包括冷原子团、光晶格、微波腔、真空系统和平凸光学谐振腔；所需的光电部分包括冷却光、再抽运光和抽运光、囚禁光、腔频探测光、滤光片、腔频探测器；本发明方法首次原创性地提出积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟的实现方案,交叉融合了自旋压缩态技术、积分球冷原子钟技术和光晶格囚禁技术,突破传统方案中标准量子噪声极限对频率稳定度限制的技术瓶颈和解决传统方案相干时间短的问题,显著提高积分球冷原子钟的频率稳定度。(The invention discloses an integrating sphere quantum spin compression state cold atom microwave clock device and a method, and relates to the technical field of cold atom frequency standard, the device comprises a central part from inside to outside, the central part is a cold atom physical part, and the outside is a needed photoelectric part and a microwave part, wherein the cold atom physical part comprises a cold atom group, a light crystal lattice, a microwave cavity, a vacuum system and a plano-convex optical resonant cavity from inside to outside; the needed photoelectric part comprises cooling light, re-pumping light and pumping light, trapping light, cavity frequency detection light, an optical filter and a cavity frequency detector; the method originally provides an implementation scheme of the integrating sphere quantum spin compression state cold atom microwave clock for the first time, alternately fuses a spin compression state technology, an integrating sphere cold atom clock technology and a photo-lattice imprisoning technology, breaks through the technical bottleneck of limiting the frequency stability by a standard quantum noise limit in the traditional scheme, solves the problem of short coherence time in the traditional scheme, and obviously improves the frequency stability of the integrating sphere cold atom clock.)
技术领域
本发明涉及冷原子频标技术领域，特别涉及一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法。
背景技术
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，其中积分球冷原子种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；
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，采用新原理、新方法不断提高精度指标；另一方面，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，然而积分球冷原子钟目前主要受限于原子传统的自旋相干态产生的鉴频曲线具有的标准量子噪声极限，存在频率稳定度难以继续提高的技术瓶颈，这就导致其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，目前面对积分球冷原子钟上述鲜明的应用场景，针对提高其频率稳定度的量子技术研究尚处于空白阶段，因此亟需通过交叉融合等研究方式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；为此，我们提出一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法，旨在突破传统的原子自旋相干态的标准量子噪声极限，并解决现有技术中所存在的频率稳定度难以继续提高等问题，为进一步研制超高精度的积分球冷原子钟做好技术储备。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，所述积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置由内向外包括中心部分，所述中心部分为冷原子物理部分，所述外部为所需的光电部分和微波部分，其中冷原子物理由内到外包括冷原子团、光晶格、微波腔、真空系统和平凸光学谐振腔；所述所需的光电部分包括冷却光、再抽运光和抽运光、囚禁光、腔频探测光、滤光片、腔频探测器、0°反射镜、钟信号探测光、45°反射镜和光电探测器；所述微波部分包括钟信号、伺服电路、伺服信号、本地振荡器、微波链路、GHz信号和输出信号。
优选地，所述物理部分中，冷原子团作为核心研究对象，微波腔同时进行漫反射激光冷却和提供微波场与冷原子进行相互作用，平凸光学谐振腔形成光晶格对冷原子进行长时间囚禁，避免扩散和向下的自由落体运动，真空系统为冷原子提供高真空贮存环境，避免碰撞耗散作用。
优选地，所述光学部分中，冷却光、再抽运光和抽运光三种光束都以一定发散角注入进微波腔中，形成漫反射的各向同性光场，其中冷却光会对冷原子的基态上能级进行激光冷却，再抽运光可以将基态下能级的原子抽运至基态上能级从而也被冷却，抽运光再将处于基态上能级的冷原子抽运至基态下能级，达到态制备的效果；囚禁光会注入进物理部分中的平凸光学谐振腔中形成光晶格，以此囚禁冷原子团；腔频探测光也会注入进平凸光学谐振腔，对冷原子进行量子非破坏性测量，从而实现制备量子自旋压缩态；滤光片会阻挡穿过光学谐振腔的囚禁光进入腔频探测器中，以此避免其对腔频探测光的影响；腔频探测器作为腔频探测光的检测装置，主要用来识别冷原子作为光腔介质对光腔谐振频率的影响；0°反射镜主要用来反射钟信号探测光，对冷原子进行双向探测，避免探测光对冷原子的加热效果；钟信号探测光主要基于吸收探测法，通过检测其光强变化来判断出冷原子数目或者密度；45°反射镜用来反射钟信号探测光，可将其垂直注入进上方微波腔中；光电探测器可接收与冷原子相互作用后透射的钟信号探测光，钟信号探测光光强本底减去透射后的钟信号探测光光强即为被吸收的钟信号探测光光强。
优选地，所述微波部分中，钟信号作为整钟闭环锁定时必需的信号，主要通过冷原子与微波分离振荡场相互作用获取，体现在被吸收的钟信号探测光光强上，所述伺服电路将钟信号进行处理，形成过零点的误差信号，而误差信号被进一步通过PID算法形成伺服信号，所述本地振荡器主要提供射频信号，输出两路，一路通过微波链路倍频成GHz信号进入物理部分，另一路作为输出信号，表征整钟的闭环锁定的性能特性。
优选地，所述微波部分中，微波链路接收本地振荡器的射频信号，将其倍频成与原子基态能级谐振的GHz信号，GHz信号通过微波线缆注入进微波腔中，进而在微波腔中形成微波场与冷原子进行相互作用，输出信号作为本地振荡器也即整钟的输出信号，与标准信号进行比较，从而得到输出信号的频率稳定度特性。
一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟方法，包括如下阶段：
Step1：漫反射激光冷却阶段；
Step2：态制备阶段；
Step3：制备自旋相干态阶段；
Step4：制备自旋压缩态阶段；
Step5：自旋90度旋转阶段；
Step6：量子态自由演化阶段；
Step7：自旋编码进态布居阶段；
Step8：探测阶段；
Step9：整钟闭环锁定阶段。
优选地，所述Step1漫反射激光冷却阶段，在漫反射激光冷却时间内，先利用冷却光通过微波腔内的多次漫反射形成的各向同性光场将原子冷却至基态上能级，并且冷却过程中再抽运光使用冷原子一直保持在该能级；所述Step2态制备阶段，在之后的态制备时间内，抽运光统一将基态上能级的原子制备至基态下能级，为进行量子自旋压缩态制备和分离振荡场相互作用过程做准备。
优选地，所述Step3制备自旋相干态阶段当冷原子均处于基态下能级后，利用平凸光学谐振腔形成光晶格对冷原子进行装载和囚禁，之后在第一次微波脉冲相互作用内，冷原子与微波进行第一次π/2相互作用形成自旋相干态；所述Step4制备自旋压缩态阶段，在自旋相干态的基础上，在自旋压缩态制备时间内，开始制备自旋压缩态；所述Step5中自旋90度旋转阶段，在第二次微波脉冲相互作用时间内，制备完自旋压缩态后，将自旋旋转90度，将布居数压缩转换为相位压缩，此时自由演化过程开始。
优选地，所述Step6量子态自由演化阶段，在自由演化时间内，自旋态积累一定的相位；所述Step7自旋编码进态布居阶段，在第三次微波脉冲相互作用时间内，该相互作用将原子的自旋信息编码在两个內态之间的布居差中，便于探测。
优选地，所述Step8探测阶段，完成全部的冷原子与微波相互作用干涉过程后，在探测时间内，产生的包含本地振荡器频率偏差的冷原子干涉信号最终通过吸收探测法进行钟信号探测得到；所述Step9整钟闭环锁定阶段，钟信号经伺服电路处理后产生表征本地振荡器频率变化量的误差信号，误差信号进一步处理后形成伺服信号，伺服信号作用于本地振荡器后将补偿本地振荡器输出频率的变化量，最终将本地振荡器的输出频率锁定到原子基态能级之间跃迁频率上。
本发明具有如下有益效果：
一，本发明方法首次原创性地提出积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟的实现方案，交叉融合了自旋压缩态技术、积分球冷原子钟技术和光晶格囚禁技术，可突破传统方案中标准量子噪声极限对频率稳定度限制的技术瓶颈和解决传统方案相干时间短的问题，将显著提高积分球冷原子钟的频率稳定度。
二，本发明积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法，可以在周期性时序运行过程中，通过光晶格重复囚禁冷原子，实现重复自旋压缩态制备以及冷原子与微波的分离振荡场作用，进而产生钟信号对本地振荡器的输出频率进行锁定。
三，本发明积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置和方法，不仅可突破标准量子噪声极限，并解决现有技术中所存在的自由演化时间短、鉴频曲线信噪比低等问题，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。
附图说明
图1为积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置结构示意图；
图2为积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟运行时序示意图；
图3为积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟方法流程图。
图中：1、冷原子团；2、光晶格；3、冷却光、再抽运光和抽运光；4、微波腔；5、真空系统；6、平凸光学谐振腔；7、囚禁光；8、腔频探测光；9、滤光片；10、腔频探测器；11、0°反射镜；12、钟信号探测光；13、45°反射镜；14、光电探测器；15、钟信号；16、伺服电路；17、伺服信号；18、本地振荡器；19、微波链路；20、GHz信号；21、输出信号；22、微波腔中轴线。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
请参照图1所示：一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟装置，该装置由内向外，中心框内为冷原子物理示意图，外部为所需的光电部分和微波部分，其中冷原子物理由内到外包括：冷原子团1、光晶格2、微波腔4、真空系统5、平凸光学谐振腔6；所需的光电部分包括：冷却光、再抽运光和抽运光3、囚禁光7、腔频探测光8、滤光片9、腔频探测器10、0°反射镜11、钟信号探测光12、45°反射镜13，光电探测器14；微波部分包括：钟信号15，伺服电路16，伺服信号17，本地振荡器18，微波链路19，GHz信号20、输出信号21。
在物理部分中，冷原子团1作为核心的研制对象；微波腔2可以同时进行漫反射激光冷却和提供微波场进行相互作用；平凸光学谐振腔6可形成光晶格2对冷原子进行长时间囚禁，避免扩散和向下的自由落体运动；真空系统5为冷原子提供高真空贮存环境，微波腔中轴线作为整个物理部分的参考基准线；
在光学部分中，冷却光、再抽运光和抽运光3各个光束都会以一定发散角注入进微波腔中，形成漫反射的各向同性光场，其中冷却光会对冷原子的基态上能级进行激光冷却，再抽运光可以将基态下能级的原子抽运至基态上能级从而也被冷却，抽运光再将处于基态上能级的冷原子抽运至基态下能级，达到态制备的效果；囚禁光7会注入进物理部分中的平凸光学谐振腔6中形成光晶格，以此囚禁冷原子；腔频探测光8也会注入进平凸光学谐振腔，对冷原子进行非破坏性测量，从而实现自旋压缩态；滤光片9会阻挡穿过光学谐振腔的囚禁光进入腔频探测器10中，避免其对腔频探测光8的影响；腔频探测器10作为腔频探测光8中的检测装置，主要用来识别冷原子作为光腔介质对光腔谐振频率的影响；0°反射镜11主要用来反射钟信号探测光12，对冷原子进行双向探测，避免探测光对冷原子的加热效果；钟信号探测光12主要通过吸收探测法，通过检测其光强变化来判断出冷原子数目或者密度；45°反射镜13用来反射钟信号探测光12，可将其垂直注入进上方微波腔4中；光电探测器14可接收与冷原子相互作用后透射的钟信号探测光12，钟信号探测光12光强本底减去透射后的钟信号探测光12光强即为被吸收的钟信号探测光12光强；
在微波部分中，钟信号15作为整钟闭环锁定时必需的信号，主要通过冷原子与微波分离振荡场相互作用获取，体现在被吸收的钟信号探测光12光强上；伺服电路16会将钟信号15进行处理，形成可以过零点的误差信号，而误差信号会被进一步通过PID算法形成伺服信号17；本地振荡器18主要提供射频信号，输出两路，一路通过微波链路19倍频成GHz信号20进入物理部分，另一路作为输出信号21，表征整钟的闭环锁定的性能特性；微波链路19会接收本地振荡器18的射频信号，将其倍频成与原子基态能级谐振的GHz信号20；GHz信号20会通过微波线缆注入进微波腔4中，进而在微波腔4中形成微波场与冷原子进行相互作用；输出信号21作为本地振荡器18也即整钟的输出信号，需要与标准信号进行比较，从而得到输出信号的频率稳定度、准确度和漂移率等性能特性。
实施例二：
如图2所示：TC为漫反射激光冷却时间，TP为态制备时间，τp1为第一次微波脉冲相互作用时间，TS为自旋压缩态制备时间，τp2为第二次微波脉冲相互作用时间，TF为自由演化时间，τp3为第三次微波脉冲相互作用时间，Td为探测时间，T0为运行周期；
如图3所示：一种积分球量子自旋压缩态冷原子微波钟方法，用于本发明实施例的装置，根据钟运行周期T0，具体方法包括如下阶段：
漫反射激光冷却阶段：在漫反射激光冷却时间TC内，先利用冷却光通过微波腔内的多次漫反射形成的各向同性光场将原子冷却至基态上能级，并且冷却过程中再抽运光可以使用冷原子一直保持在该能级；
态制备阶段：在之后的态制备时间TP内，抽运光会统一将冷原子与微波相互作用过程做准备；
制备自旋相干态阶段：当冷原子均处于基态下能级后，利用平凸光学谐振腔形成光晶格对冷原子进行装载和囚禁，之后在第一次微波脉冲相互作用τp1内，冷原子与微波进行第一次π/2相互作用形成自旋相干态；
制备自旋压缩态阶段：在自旋相干态的基础上，在自旋压缩态制备时间TS内，开始制备自旋压缩态：腔频探测光通过探测腔频变化实现量子非破坏性测量，测量完成后，即制备完成高压缩系数的自旋压缩态，目前产生自旋压缩态的方法主要是通过量子非破坏性测量，该方法对在原子的物理量进行测量时，在获得原子信息的同时，测量过程对物理量没有反作用，且重复性测量的结果与第一次测量的结果一致，具体过程为：通过相互作用哈密顿量的变换，将原子系统中的待测量的信息编码到了光学变量中，并且待测量在测量过程中保持不变，然后通过对光学变量的破坏性测量可以得到待测量的信息，测量过程中的反馈作用会转移到了待测量的共轭变量上，通过该过程操作，即实现量子非破坏性测量，在该相互作用过程中，持续的非破坏性测量可以使自旋涨落得到自旋压缩，即原子塌缩到自旋压缩态；
自旋90度旋转阶段：在第二次微波脉冲相互作用时间τp2内，制备完自旋压缩态后，需要将自旋旋转90度，将布居数压缩转换为相位压缩，此时自由演化过程才可以开始；
量子态自由演化阶段：在自由演化时间TF内，自旋态会积累一定的相位；
自旋编码进态布居阶段：在第三次微波脉冲相互作用时间τp3内，该相互作用可以将原子的自旋信息编码在两个内态之间的布居差中，便于探测；
探测阶段：完成全部的冷原子与微波相互作用干涉过程后，在探测时间Td内，产生的包含本地振荡器频率偏差的冷原子干涉信号最终将通过吸收探测法进行钟信号探测得到；
整钟闭环锁定阶段：钟信号经伺服电路处理后产生可以表征本地振荡器频率变化量的误差信号，误差信号进一步处理后形成伺服信号，伺服信号作用于本地振荡器后将补偿本地振荡器输出频率的变化量，最终将本地振荡器的输出频率锁定到原子基态能级之间跃迁频率上。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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