单电子原子光钟及其制备方法

摘要

本发明属于原子钟与频率标技术领域，具体涉及一种单电子原子光钟及其制备方法。本发明技术方案是利用单电子原子基态到第2激发态之间的激光频段的跃迁作为光频段的量子频率标准，在结合光梳得频率传递后实现的光钟。该方案中，以铯原子为例，可利用铯原子第2激发态的窄谱线宽特性，在线圈产生的外磁场中磁子能级可以被分解出来，用于激光稳频。磁场与原子炉的温度可以进行控制来优化系统处于良好的工作状态。加上系统外壳设计，可以屏蔽掉外界的电磁干扰。通过调节半导体激光器的电流、温度与控制腔长的压电陶瓷电压来将激光的最终输出频率稳定在铯原子的6S到7P_1/2的459nm或6S到7P_3/2的455nm的波长跃迁谱线上。

主权项

一种单电子原子光钟，其特征在于，所述光钟包括：真空腔室（1）、单电子原子束发生装置（2）、激光器（3）、控制电路装置（4）、频率调节器（5）、第一探测器（6）、第二探测器（7）以及光梳（9）；其中，所述真空腔室（1），其外连有真空泵装置，其上设有光窗组，所述光窗组包含两个光窗（8），所述两个光窗（8）在所述真空腔室（1）的腔体上对应设置，以提供用于透射激光器（3）激光输出光束的路径；所述单电子原子束发生装置（2），其设置于所述真空腔室（1）中，用于产生单电子原子束；所述单电子原子束发生装置（2）产生的单电子原子束的发射方向正交于通过所述光窗组射入并透射出的激光输出光束；所述激光器（3），其设置于所述真空腔室（1）外部，其所射出的激光输出光束经所述两个光窗（8）射入并透射出真空腔室（1），且在真空腔室（1）内部与所述单电子原子束正交相互作用；所述激光输出光束用于在与所述单电子原子束正交相互作用时，使单电子原子从基态跃迁到第2激发态；通过所述控制电路装置（4）控制所述激光器（3）的温度、电流以及调节激光腔长的压电陶瓷的电压；所述频率调节器（5）用于将激光的频率调节到原子的共振频率上，完成激光稳频，从而使得第一探测器（6）及第二探测器（7）能够探测到稳定的原子谱线信号；所述频率调节器（5）受控制电路装置（4）控制来执行其职能；所述第一探测器（6），其设置于真空腔室（1）外部，且处于所述激光输出光束从真空腔室（1）透射出之后的路径上，其用于通过感应透射出的激光输出光束来测量所述单电子原子束对激光的吸收信号；所述第二探测器（7），其为光电探测器，用于测量单电子原子对激光进行作用后产生的荧光；所述控制电路装置（4），其用于接收所述第一探测器（6）及第二探测器（7）的测量结果，根据测量结果生成激光的频率误差信号，根据该频率误差信号调节激光器（3）的电流、温度、压电陶瓷驱动电压，以使激光器（3）的激光输出光束的频率锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上，形成量子激光频率标准；所述光梳（9），其其中一个梳齿的波长能够覆盖或与所述量子激光频率标准相接近，所述光梳（9）用于与所述频率已锁定在单电子原子的基态跃迁到第2激发态的跃迁能级上的激光输出光束进行联合，从而实现光钟。