【CN110018631A】应用法拉第激光抽运探测的铯原子微波频率标准及其实现方法【专利】
激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移
激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移激光冷却铯原子喷泉频标是一种高精度的频率标准。
它利用激光冷却技术来增加原子喷泉中铯原子的密度，并通过黑体辐射来确定原子频率。
具体来说，激光冷却铯原子喷泉频标使用多个激光来对铯原子进行冷却，这样可以使原子的速度降低到几乎为零，并将原子的密度增加数百倍。
之后，通过观测铯原子中的黑体辐射来确定原子频率。
由于黑体辐射是由原子核产生的，因此频率非常稳定。
黑体辐射频移指的是黑体辐射的频率与其理论频率之间的差异。
这种差异可能由于温度效应、压力效应等原因造成，因此需要进行校准。
使用激光冷却铯原子喷泉频标可以使黑体辐射频移达到非常小的值，达到高精度频率测量的要求。
激光冷却铯原子喷泉频标在频率测量中具有重要意义，因为它可以提供非常高精度的频率值。
这对于一些需要高精度频率测量的应用非常重要，例如：
原子钟：激光冷却铯原子喷泉频标可以用于确定原子钟的频率，这是目前最稳定和精确的频率标准之一。
频率合成器：激光冷却铯原子喷泉频标可以用于校准频率合成器，以确保其频率精度。
频率标准：激光冷却铯原子喷泉频标可以用于确定其它频率标准
的频率值。
科学研究: 激光冷却铯原子喷泉频标在物理学、化学等领域有着广泛的应用，可以用来研究原子和分子的性质。
总之，激光冷却铯原子喷泉频标是一种高精度的频率标准，它通过激光冷却和黑体辐射来确定原子频率，为频率测量和科学研究提供了重要的技术支持。
211233497_国产高性能光抽运小铯钟研制进展
国产高性能光抽运小铯钟研制进展贺轩1，袁志超1，陈佳源1，陈徐宗1，王青2*，齐向晖1*（1.北京大学量子电子学研究所，北京 100871；2.北京大学电子信息科学基础实验中心，北京 100871）摘要：介绍了北京大学利用光抽运小铯钟相比于传统的磁选态小铯钟有更高的铯原子利用率的优势，在频率稳定度方面取得的突破性进展；总结出了光抽运小铯钟达到高性能的关键因素在于铯束管优值、激光稳频和电路地噪声；最终优化后的光抽运小铯钟频率稳定度均超过了5071A优质管2倍以上，典型值为3 × 10-12 / τ1/2；近三年来陆续研制出8台光抽运小铯钟，初步实现了高性能光抽运小铯钟工程化。
关键词：原子钟；小铯钟；光抽运；频率稳定度；信噪比中图分类号：TB939 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）03-0099-08Progress of domestic high performance optically pumpedcompact cesium clocksHE Xuan1, YUAN Zhichao1, CHEN Jiayuan1, CHEN Xuzong1, WANG Qing2*, QI Xianghui1*(1.Institute of quantum electronics, Peking University, Beijing 100871, China；2.Center for experimental electronics and information, Peking University, Beijing 100871, China)Abstract: The advantage of optically pumped compact cesium clocks is that they have a higher utilization of at⁃oms compared to traditional magnetic state⁃selection cesium clocks. The group in Peking University has made breakthroughs in the frequency stability of optically pumped compact cesium clocks. The key factors for achieving high performance of optically pumped compact cesium clocks are the cesium beam tube, laser frequency stabiliza⁃tion, and circuits. The frequency stability of the optimized optically pumped compact cesium clock exceeds by more than twice that of the 5071A high⁃performance cesium beam tubes, with a typical value of 3 × 10-12 / τ1/2. Eight opti⁃cally pumped compact cesium clocks have been developed in the past three years. And the commercial high perfor⁃mance optically pumped compact cesium clocks have been preliminarily realizedKey words: atomic clock; compact cesium clock; optical pumping; frequency stability; signal⁃to⁃noise ratio0 引言小铯钟是目前应用广泛的原子钟之一，在守时授时、卫星定位导航、高速通信、量子精密测量等领域发挥着重要作用［1-4］。
光学波长标准-飞秒光梳频率列-铯原子微波频率基准-光钟
从光学波长到微波频率基准:光学波长标准 - 飞秒光梳频率列 - 铯原子微波频率基准 - 光钟中国计量科学研究院(NIM) 量子处李天初, 方占军电话: (10) 6429 5811, e-mail: litch@摘要: 迄今, 光学波长依赖于传统的光学谐波波长链溯源到铯钟微波频率基准。
本文简略介绍中国计量院量子处保存和在研的激光波长标准, 报导我们研制新一代NIM4＃"激光冷却-原子喷泉"微波频率基准铯钟和"飞秒脉冲激光-光学梳状频率"的原理和进展。
冷原子喷泉钟将使我国频率基准不确定度进入10-15。
飞秒梳状频率使光学波长和微波频率直接准确地联系起来。
上述两项课题将改变我国光学波长标准和溯源系统的基本格局, 使得光学波长计量发展到一个新水平。
同时, "飞秒梳状频率"与"原子/离子存储光学频率标准"的结合, 将推动"光钟"的发展.关键词:冷原子喷泉钟; 飞秒光梳; 微波频率基准; 光学波长标准.1, 稳频激光光学波长标准 －实际复现米定义1983年, 国际计量大会(CGPM)颁布了新的米定义，将长度单位米定义为光波在一定时间间隔传播的真空距离[1], 并陆续推荐了十二条光辐射波长, 作为光学波长标准[2]。
在CGPM推荐的标准波长中, 利用饱和吸收技术将He-Ne激光频率锁定到127I2的115-5, R(127) 跃迁a i峰的633nm波长[3], 由于其结构简单、使用广泛、准确可靠而成为最常用、最常规的光学波长标准。
中国计量院(NIM)自70年代就开始了激光稳频的研究。
目前NIM保存着碘稳频633nm He-Ne激光波长标准, 不确定度为5x10－11(2σ)。
我们正在改造更新He-Ne激光543nm 波长标准, 开展碘稳频Nd:YAG激光倍频532nm波长和乙炔稳频半导体激光1542nm 波长标准的研究。
光抽运铯原子束频标的二级多普勒频移研究
光抽运铯原子束 频标 的二 级多普勒频移研 究
张 军海
（ 中国科学院 上海天文台，上海 ２ ０ ３ ） ０ ０ ０
摘要ｔ 结合光抽运铯柬频标的具体结构 ， 论证 了用余弦傅里叶逆变换的方法推导原子速 度分 布的可 行性；用该理论对 实验 系统 测量 的 Ｒａ ｅ ｍｓｙ花样进行 了分析 ，得到铯柬管 中有效原子真实 的速 度 分布，该速度分布 与铯柬管的具体结构对速 度的要求相一致；通过速度分布精确计算了影响光抽运 铯柬频标准确度的重要 因素 一 二级多普勒频 移，其大小为 一３ ． ５×１ ０。 ０ 关 键 词 ｔ天文观测设备与技术；铯原子 柬频率标 准；余弦傅里叶逆变换；二级多普勒频移，光
由于原子束中的原子存在速度分布， 观察到的 Ｒ ｍｓ 花样是对速度取平均的结果，即： ａ ｅ ｙ
（ｍ （－ ）： ／ （）ｍ （－ ）ｕ Ｐ ２ ＋ ） ７ ｐ ２ ＋Ｔｄ ） ７
Ｊ ０
（） ２
其中： Ｊ ） Ｄ 是速度分布： （
ｐ ：Ｐｅ ４ ｕ２ ） （） ｏ一 １２ －６ ｎ（ ４ ｆ） ３
抽运 中图分类号 ｔＴＨ １ ． ４ ７ ４１ 文献标识码： Ａ
日 『 Ｊ
吾
速 度分 布作 为 原子束 的一个 参数 直接 影 响原子 的荧 光光谱 、能级跃 迁 、多普 勒 （ ｐ ｌ ） Ｄｏ ｐｅ ｒ 效应 等 ，因此 测量 原子 束 的速 度分 布在 光谱 学和 原子 物 理 中具 有重 要 的意义 。许 多科 学工 作 者对 原子 束 的速 度分 布进 行 了理论 和实验 的研 究 ［ 。我们 知道影 响 光抽运 铯束 频标 最严 重 的 误差 是腔 相 移和 二级 多普 勒频 移 。腔 相 移可 以通 过 改造 Ｒ ｍｓｙ腔 的办法 对 其作 准 确的 修 ａ ｅ 正 ，但起源 于相对 论效 应的二级 多普 勒频 移却 不可避 免 。人们 只能对 其进行 修正 ，以减小 二级 多普勒频 移对铯束 频标 的影 响， 已成 为铯原子 束频 标研 究领域 中的重要 课题 。 这 要计 算铯 束频 标 的二级 多普 勒频移 必须准 确地知 道原子 束 的有效 原子速 度分 布 。我们知道 ， Ｒａ ｅ 样是 ｍｓｙ花
频率标准在中国的发展
收稿日期:2007207225作者简介:王义遒(1932-),男,教授,主要研究领域:时间频率计量,波谱学及量子学研究。
宇航计测技术Journal of A str onautic Metr ol ogy and Measure ment中图分类号:T M935.115频率标准在中国的发展王义遒(北京大学信息科学技术学院,北京100871) 摘 要 简单介绍了原子钟研究在中国的发展历史,着重叙述了近年来所取得的成就。
包括在中国计量院开发与保存的国家时间频率基准:铯原子束基准和冷原子喷泉基准,后者的频率准确度达到了3・10-15。
叙述了氢原子钟,包括主动激射器频标和被动型氢钟两种类型的研究工作进展;说明了光抽运铷原子钟的研制与生产情况以及性能指标。
强调了中国光抽运铯原子束频标经过长期连续工作所取得的优秀成果。
简述了中国在微波与光频离子储存原子钟以及在光频测量和光钟上所取得的进展。
关键词 频率标准 综述On the Development of Frequency St andards i n Chi n aWANG Yi 2Q iu(School of Electr onics &Computer Science,Peking University,Beijing 100871) Abstract B riefly intr oduced the hist ory of the devel opment of the at om ic frequency standards inChina with the e mphasis on the recent achieve ments .I ncludes the Nati onal Pri m ary Ti m e and Frequency Standards,devel oped and maintained at Nati onal I nstitute of Metr ol ogy:the cesiu m bea m at om ic frequencystandard and the cold at o m ic fountain standards,which has reached the frequency accuracy of 3・10-15.Described the p r ogress of the hydr ogen cl ocks working both on active maser and passive modes .The situ 2ati on of the devel opment,the p r oducti on and als o the perfor mances of the op tically pumped rubidium cl ocks has been clarified .I ndicated the good result of the l ong -ter m operati on of the op tically pumped cesium bea m frequency standard in China .The advances of other frequency standards,such as the resear 2ches on the i on trap s working on both m icr owave and op tical frequency ranges,and the op tical frequency measuring chain and op tical cl ocks are als o menti oned . Key words Frequency standards Su mmarizati on1 引 言频率标准的发展对于一个国家的经济、科学与技术、国防与社会安全有着相当的重要意义。
时间频率精密计量技术发展
时间频率精密计量技术发展发布时间：2021-07-09T08:50:34.155Z 来源：《科技新时代》2021年4期作者：刘卓程昊蔡珏[导读] 但只有铯原子频率标准、氢原子频率标准、铷原子频率标准三种原子频标的输出频率准确度高，稳定性强，应用最广泛。
（中国航发沈阳发动机研究所 110015）摘要：时间频率作为十大计量专业之一，在科学研究与日常生活中均起着至关重要的作用。
工作与生活中都会用到的时钟以及应用于卫星导航系统的星载铷原子钟，都以时间频率量为基础。
随着当代科技对时间量的精确度要求越来越高，时间频率计量已经由对宏观量的研究向更精密的微观量的研究方向转变，“秒”的定义也经历了由“平太阳秒”、“历书秒”到“原子秒”的发展历程，对时间量与频率量的精密计量研究已成为世界高新技术研究领域的重点。
关键词：时间频率精密原子秒1 “秒”定义的更新1960年以前，“秒”的定义源于地球的自转周期，物理学家通过观测地球的自转运动，将地球自转一周的时间称为“真太阳日”，由于一年中“真太阳日”的值总在不断变化，不能由某一个“真太阳日”来确定“秒”的定义，物理学家由此提出了“平太阳日”的概念，“平太阳日”为一年中所有“真太阳日”的平均值，把“平太阳日”的定义为“平太阳秒”，“平太阳秒”作为“秒”的第一次定义一直沿用至“历书秒”定义的出现。
由于物理学家通过观测地球的公转运动与地球的自转运动并进行对比研究，发现地球的公转运动比自转运动更稳定，因此决定采用地球的公转运动来描述秒的定义。
在1960年至1967年之间，出现了“秒”的第二次定义，即源于地球公转运动周期的“历书秒”。
1967年出现了“秒”的第三次定义，即“原子秒”的定义，“秒”是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。
“原子秒”的定义一直沿用至今。
1955年世界上第一台铯原子钟问世，此后出现了多种原子频率标准，但只有铯原子频率标准、氢原子频率标准、铷原子频率标准三种原子频标的输出频率准确度高，稳定性强，应用最广泛。
激光抽运铷原子频标实验研究
激光抽运铷原子频标实验研究宁小玲;康松柏;赵峰;钟达;梅刚华【摘要】Polarization spectroscopy of saturated absorption was used to lock laser frequency and set up an experimental system of laser-pumped rubidium atomic frequency standard. A preliminary frequency stability measurement was carried out, the results of which showed that a short-term frequency stability of 1.2× 10-11τ-1/2 was achieved. By analyzing the results, we proposed some approaches to improve the performance of the frequency standard.%采用饱和吸收偏振稳频半导体激光器,建立了激光抽运铷频标实验系统.实现了该系统的闭环锁定.进行了频率稳定度的初步测试,短期稳定度为1.2×10-11τ-1/2.对测试结果进行了分析,并提出了相应的改进措施.【期刊名称】《波谱学杂志》【年(卷),期】2011(028)001【总页数】6页(P109-114)【关键词】铷原子频标;外腔半导体激光器;激光稳频;频率稳定度【作者】宁小玲;康松柏;赵峰;钟达;梅刚华【作者单位】中国科学院原子频标重点实验室(武汉物理与数学研究所),湖北武汉430071;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院原子频标重点实验室(武汉物理与数学研究所),湖北武汉430071;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院原子频标重点实验室(武汉物理与数学研究所),湖北武汉430071;中国科学院原子频标重点实验室(武汉物理与数学研究所),湖北武汉430071;中国科学院原子频标重点实验室(武汉物理与数学研究所),湖北武汉430071【正文语种】中文【中图分类】O455.1引言铷原子频标以其体积小、功耗低、可靠性高[1]等特点而被广泛应用于定位导航、时间同步、同步通讯等领域. 传统铷原子频标采用无极放电灯作为抽运光源，光功率谱密度低，抽运效率受到限制，使得物理系统原子利用率只有千分之几. 因此，传统铷原子频标的短期稳定度被限制在1×10-12 τ-1/2左右[2]. 激光具有光谱纯、线宽窄、功率谱密度大的特点，利用半导体激光器替代传统铷频标中的无极放电灯作为抽运光源，可以有效提高物理系统原子利用率，从而使铷频标的稳定度指标得到改进. 目前实验上已经实现的激光抽运铷频标， 87Rb原子抽运效率达到41.3%[3]，短期稳定度达到3×10-13 τ-1/2 [4].本文在传统铷频标基础上，用一台稳频外腔式半导体激光器(ECDL)替代光谱灯作为抽运光，搭建了一套激光抽运铷频标实验系统，进行了实验测试及分析.1 实验原理与装置实验装置如图1所示. 实验采用的激光器为Optoquantum 公司生产的Hawkeye780型外腔半导体激光器，激光波长约为780 nm，线宽<500 kHz. 激光束由偏振分光镜PBS1分为2束，光束A进入激光稳频系统，用于激光稳频，光束B进入铷钟腔泡系统，对原子进行抽运. 激光稳频采用饱和吸收偏振稳频方案[5]. A光束经厚玻片Slide分为一束弱的探测光与一束强的抽运光. 探测光经过λ/2片后，变为偏振面与PBS2的Z主轴成45°夹角的线偏振光，再穿过充有天然铷的饱和吸收泡，经PBS2分束后，由光电池D1与D2探测. 抽运光通过λ/4片后变为圆偏振光，经45°M与90°M的反射，沿探测光反方向进入饱和吸收泡. 由于圆偏振抽运光σ+(或σ-)仅能诱导Δm=1(或Δm=-1)的原子跃迁，导致原子基态的子能级布局不均匀，等效于相对角动量取向各向异性，类似于法拉第效应，使线偏振探测光通过吸收泡时发生双折射，偏振面发生微小转动[6]， D1与D2探测到的两路信号将有微小差异. 两信号经过差分后送入激光稳频电路，通过处理得到直流纠偏电压，并反馈到激光器压电陶瓷PZT上，将激光频率锁定在87Rb 原子饱和吸收峰的中心频率上.图1 实验装置图Fig.1 The set-up diagram of experiment铷钟的工作过程为，稳频激光输出的B光束经过凸透镜L1与L2扩展为Φ8 mm 的平行光束，射入充有87Rb蒸汽原子及缓冲气体的吸收泡，将87Rb原子从基态的F=1抽运到F=2上，形成粒子数反转. 压控晶体振荡器VCXO输出10 MHz 信号，该信号经倍频、综合和调制后，输出约6 834.68 MHz的受调微波信号，激励铷原子基态的(0， 0)跃迁，光电池D3将探测到交流鉴频信号. 该信号经相敏检波及放大后，转变为一定极性的直流纠偏电压，反馈到VCXO压控端，将其频率锁定在原子谱线中心频率上.2 实验结果激光稳频采用规格为Φ20 mm×100 mm的饱和吸收泡. 无抽运光时，旋转λ/2片使PBS2分束的2路光光强相等. 图2是87Rb原子D2线b线的饱和吸收谱. 激光频率稳定在F=1→F′=CO 0-1的饱和吸收峰上，吸收峰的半高宽约为25 MHz，激光稳定后的波长为780.232 nm.图2 87Rb原子D2线b线的饱和吸收谱Fig.2 87Rb saturated absorption spectrum of line b in D2该铷频标直接采用本实验室现有的电路模块. 物理系统由稳频激光器和腔泡系统构成. 该腔泡系统采用本实验室研制的开槽管式微波腔[7]，腔的有载Q值约为400. 吸收泡外径为14 mm，内部充有同位素87Rb，工作温度为68 ℃. 腔内馈入的微波功率约为-25 dBm. C场电流为3 mA，在腔内约产生0.03 mT的平均磁场，背景光强约为50 μW/cm2. 通过调试与参数优化，实现了铷频标的闭环锁定. 初步测量了频标的稳定度指标，如图3所示. 100 s以下的短期稳定度为1.2×10-11 τ-1/2.图3 激光抽运铷频标稳定度Fig.3 Frequency stability of laser-pumped 87Rb frequency standard3 结果分析与讨论铷频标的频率稳定度(Allan方差)与其噪声功率谱密度Sy(f)的关系为[2， 8]：(1)(1)式中fm为微波的调制频率. 设铷频标的噪声为散弹噪声，推出铷频标的短期稳定度为[2， 8]：(2)(2)式中为散弹噪声， q为电子电量， Ibg为背景光电流，νRb为铷钟的跃迁频率(6.834 GHz)， D为鉴频斜率. 实验测得散弹噪声约为3 鉴频斜率D为0.85nA/Hz. 将上述两值带入(2)式，可得到铷频标短期稳定度的理论值为3.5×10-13 τ-1/2.频率稳定度的实测值为1.2×10-11 τ-1/2，远不如理论预测值，这说明系统存在其他更主要的噪声，破坏了稳定度指标. 通过实验分析，我们认为这种噪声主要是激光的幅度噪声.激光的幅度噪声通过光频移来影响频率的稳定度. 根据电磁场的Stark效应理论，在激光光场中，铷钟跃迁频率的频移量ΔνRb为[4]：(3)(3)式中νL为激光频率，ν0为87Rb原子从基态F=1能级到激发态52P3/2能级的跃迁频率，即铷钟的抽运跃迁频率，1/Γ为原子激发态的寿命，ΩR是激光的Rabi频率，激光光强I与|ΩR|2成正比. 由(3)式可知，频移量与激光的光强和频率有关.定义铷钟的跃迁频率随激光光强变化的频移系数α为:(4)由(3)、 (4)式可知，频移系数α与激光频率νL及能级寿命1/Γ有关. 激光频率νL 偏离ν0的失谐量越小，α越小，则激光的幅度噪声通过光频移对铷钟稳定性的影响越小. 在激光幅度噪声的影响下，铷频标输出10 MHz标准频率信号的稳定度可表示为[9]：(5)图4 87Rb原子能级跃迁图 Fig.4 The scheme of 87Rb atomic transtion (5)式中RIN为激光光强在调制频率fm处的相对强度噪声，根据已有文献[7]的测量结果， ECDL激光器在136 Hz处的RIN约在1×10-12 Hz-1量级. 在铷钟锁定时，实验测得光强相对变化量ΔI/I为1%时，铷钟的跃迁频率相对变化量ΔνRb/νRb约为6.5×10-8，带入(5)式算得铷钟的频率稳定度为4.6×10-12τ-1/2. 频移系数α偏大是造成上述稳定度值较大的主要原因. 引起频移系数α偏大的原因有多种. 首先，激光的锁定频率νL偏离ν0的失谐量较大，使频移系数α较大. 图4给出了激光锁定频率νL与铷钟抽运跃迁频率ν0对应的87Rb原子能级跃迁，由图可知，二者之间的失谐量约为266.1 MHz. 考虑到吸收泡内缓冲气体会造成ν0一定程度上的压力频移，该失谐量会发生改变，但变化量相对较小. 其次，由于激光光谱线性与谱灯光谱线性存在很大的差异，而吸收泡内的缓冲气体种类、配比及气压是针对减小谱灯抽运引起的光频移设计的，直接将其应用于激光抽运铷频标中，会使频移量对光强的变化较敏感[4].综上所述，对于本实验的铷频标系统，激光幅度噪声是影响其短期稳定度的主要原因，其短期稳定度被限制在4.6×10-12τ-1/2. 该结果与实验结果仍然存在差异，这是由于实验光路较长，系统抗震性较差，外界震动容易通过光路及稳频电路破坏激光幅度及频率的稳定性，造成实际激光幅度噪声与频率噪声比上文引用的典型值要大，从而影响铷钟的稳定性. 优化光路，加强系统机械结构的稳定性，能将该激光抽运铷频标的稳定度提高到10-12τ-1/2量级. 除此之外，激光的频率噪声也会通过光频移影响铷钟频率的稳定度.由(5)式可知，减小频移系数α，能有效提高铷钟的短期稳定度. 因此，采取以下几种措施可降低光频移的影响. (1)运用声光调制器AOM调节激光频率，减小激光频率与ν0之间的失谐量，从而减小光强的频移系数α. (2)适当调整吸收泡内缓冲气体气压，利用压力频移来减小激光频率与ν0之间的失谐量，以减小频移系数α [4]. (3)改用DAVLL激光稳频方案，理论上能将激光频率锁定在原子多普勒吸收峰上的任何一点，可自由调整激光锁定频率，从而减小光强的频移系数α. (4)针对激光抽运优化吸收泡内缓冲气体种类及配比，以减小频移系数α. 除此之外，改进激光稳频方案、减短光路、防止空气流动，均能减小外界震动引起的激光幅度及频率噪声，从而减小二者通过光频移对铷钟频率稳定度的影响.4 结论采用了饱和吸收偏振稳频法，将激光频率稳定在87Rb原子D2线b线的F=1→F′=CO 0-1饱和吸收峰上. 基于传统的铷频标系统，利用稳频激光器代替传统谱灯作为抽运光，搭建了激光抽运铷频标实验系统，实现了闭环锁定. 初步测量该系统的短期稳定度为1.2×10-11 τ-1/2，与理论预计值3.5×10-13 τ-1/2尚存在较大差异. 对此分析了引起短稳指标变差的原因，并提出了相应的改进措施. 相信通过进一步的参数优化，能将激光抽运铷频标的短期稳定度指标不断提高，以至最终接近理论预期值.参考文献:【相关文献】[1] Wang Yi-qiu(王义遒), Wang Qing-ji(王庆吉), Fu Ji-shi(傅济时)， et al. The Theory of Frequency Standards (量子频标原理)[M] . Beijing(北京): Science Press(科学出版社), 1986. 366-395.[2] Mileti G, Deng J Q, Walls F L, et al. Recent progress in laser-pumped rubidium gas cell frequency standards[C]. International frequency control symposium, IEEE, 1996.[3] Besedina A, Gevirkyan A, Zholnerov V. The efficiency investigation of 87Rb atomic beam laser pumping for designing a quantum discriminator for high-performance space-borne atomic beam frequency standard[C]. France: Proc of the 19th EFTF, Besancon, 2005. 324-330.[4] Deng J Q, Mileti G, Jennings D A. Improving the short term stability of laser pumped Rb clock by reducing the effects of the interrogation oscillator[C]. International frequency control symposium, IEEE, 1997. 438-445.[5] Xu Ke-zun(徐克尊). The Advanced of atomic and molecule Physics(高等原子分子物理学)[M]. Beijing(北京): Science Press(科学出版社), 2006. 275.[6] Pearman C P, Adams C S, Cox S G, et al. Polarization spectroscopy of a closed atomic transition: applications to laser frequency locking[J]. J Phys B: At Mol Opt Phys, 2002, 35: 5 141-5 151.[7] Mei G H, Zhong D, An S F, et al. 2001 Miniaturized microwave caviey for atomic frequency patend No.6 225 870 B1[C]. 2001.[8] Mileti G, Thomann P. Study of the S/N performance of passive atomic clocks using a laser pumped vapor[C]. Proc 9th European Frequency and Time Fortum, 1995. 271-276.[9] Vanier J, Mandache C. The passive optically pumped Rb frequency standard: the laser approach[J]. Appl Phys B, 2007, 87: 565-593.。
铯原子钟频率
铯原子钟频率引言铯原子钟是一种精准的时间测量装置，利用铯原子的电磁辐射特性来产生稳定的频率。
铯原子钟的频率非常准确，可以达到每秒约9,192,631,770次振荡。
这种高精度的频率可以用来测量时间、导航系统和科学研究等领域。
本文将介绍铯原子钟频率的基本原理、工作方式以及其在现代科技中的应用。
基本原理铯原子钟基于铯-133同位素的电磁辐射特性来产生稳定的频率。
在一个光学腔中，通过激光束对铯-133原子进行激发，使其从基态跃迁到激发态。
然后，通过检测铯-133原子从激发态返回到基态时释放出的微波辐射来计算时间。
具体而言，在光学腔中，使用一个窄带宽和高稳定性的激光束对铯-133原子进行激发。
这个激光束具有与铯-133原子跃迁能级之间能量差相匹配的频率。
当激光束与铯-133原子发生共振时，原子从基态跃迁到激发态。
然后，通过微波辐射来激发铯-133原子从激发态返回到基态。
通过测量从激发态返回到基态的微波辐射的频率，可以计算出时间。
由于铯-133原子的电磁辐射特性非常稳定，因此铯原子钟的频率也非常准确。
工作方式铯原子钟主要由以下几个部分组成：光学腔、激光器、微波源和频率计。
1.光学腔：光学腔是一个封闭的空间，内部有高反射率的镜面。
它用于存储和增强激光束与铯-133原子之间的相互作用。
2.激光器：激光器产生一个窄带宽和高稳定性的激光束。
这个激光束经过调谐以匹配铯-133原子跃迁能级之间的能量差。
3.微波源：微波源产生一个特定频率的微波辐射。
这个微波辐射用于将铯-133原子从激发态返回到基态。
4.频率计：频率计用于测量从激发态返回到基态的微波辐射的频率。
根据这个频率，可以计算出时间。
整个系统通过精确控制激光束、微波辐射和频率计来实现高精度的时间测量。
应用领域铯原子钟在现代科技中有广泛的应用。
以下是一些主要的应用领域：1.时间测量：铯原子钟是目前最准确的时间测量装置之一。
它被广泛应用于卫星导航系统、通信网络以及科学实验室中的时间同步等领域。
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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910284871.3
(22)申请日 2019.04.10
(71)申请人 温州激光与光电子协同创新中心
地址 325000 浙江省温州市龙湾区蒲州街
道兴区路55号北航大厦5层
(72)发明人 陈景标
(74)专利代理机构 北京君智知识产权代理事务
所(普通合伙) 11305
代理人 黄绿雯
(51)Int.Cl.
G04F 5/14(2006.01)
(54)发明名称
应用法拉第激光抽运探测的铯原子微波频
率标准及其实现方法
(57)摘要
本发明提供一种应用法拉第激光抽运的铯
原子钟，包括法拉第激光器(1)真空腔体(2)，所
述真空腔体(2)内设置铯原子炉与其下游设置微
波腔(3)和光电探测器(6)，法拉第激光器包括镀
增透膜的半导体激光管(9)、准直透镜(10)、法拉
第原子滤光器、耦合镜(14)等。
本发明采用基于
铯原子气体法拉第滤光器实现的法拉第激光来
抽运和探测，确保了铯原子钟的所用激光光源的
频率绝对稳定性和稳频的简单化，不必对激光的
波长或频率进行过于复杂的控制就可以长期连
续工作，克服了国际性难题，在不同的温度和电
流条件下都能确保输出激光频率的绝对长期稳
定性和原子钟系统的长期稳定性。
权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 110018631 A 2019.07.16
C N 110018631
A
权 利 要 求 书1/2页CN 110018631 A
1.应用法拉第激光抽运的铯原子钟，所述铯原子钟包括法拉第激光器(1)真空腔体
(2)，所述真空腔体(2)内设置铯原子炉与其下游设置微波腔(3)和光电探测器(6)，微波频率产生和控制电路(5)通过光电探测器(6)的信号对微波源(4)实现控制；
其特征在于所述法拉第激光器包括沿光路方向依序设置的镀增透膜的半导体激光管(9)、准直透镜(10)、法拉第原子滤光器、耦合镜(14)和压电陶瓷(15)；所述法拉第原子滤光器包括置于永久磁铁组(13)形成的磁场中铯气室(12)和设置在永久磁铁组(13)两侧的一对偏振方向呈90度互相垂直的正交格兰泰勒棱镜(11)，所述铯气室(12)内充有铯原子蒸汽，以及调整法拉第激光光路的激光反射镜(7)、铯原子精密谱信号及其探测器(8)；
所述法拉第激光器发出的激光被铯原子精密谱信号及其探测器(8)稳频，然后经激光反射镜(7)反射，对铯原子炉(2)发出的准直铯原子束进行激光抽运，将铯原子抽运到F＝3态；铯原子经过微波腔(3)后，所述法拉第激光器发出的激光被铯原子精密谱信号及其探测器(8)稳频后经激光反射镜(7)反射对铯原子进行检测，通过光电探测器(6)获得铯原子发出的荧光以测量铯原子在不同频率微波场作用下发生跃迁的几率，再通过微波频率产生和控制电路(5)控制微波源(4)输出，将微波的频率锁定在铯原子在F＝4、m F＝0和F＝3、m F＝0两个能级之间产生钟跃迁的频率上。
2.根据权利要求1所述的铯原子钟，其特征在于法拉第激光器发出的激光是铯原子D1谱线的894nm法拉第激光、铯原子D2谱线的852nm法拉第激光或铯原子第二激发态D1和D2谱线的459nm和455nm法拉第激光。
3.根据权利要求1所述的铯原子钟，其特征在于所述铯气室(12)的两侧玻璃端面镀增透膜。
4.根据权利要求1所述的铯原子钟，其特征在于所述法拉第激光器包括第一法拉第激光器和第二法拉第激光器，所述第一法拉第激光器发出经激光反射镜(7)反射，对铯原子炉(2)发出的准直铯原子束进行激光抽运，将铯原子抽运到F＝3态；所述第二法拉第激光器发出的激光被铯原子精密谱信号及其探测器(8)稳频后经激光反射镜(7)反射对铯原子进行检测。
5.根据权利要求4所述的铯原子钟，其特征在于第一法拉第激光器和第二法拉第激光器的激光频率相同或不同。
6.根据权利要求1或4所述的铯原子钟，其特征在于用于检测的激光经过移频。
7.根据权利要求1所述的铯原子钟，其特征在于以铷原子炉替代铯原子炉(2)，且以铷其实替代铯气室(12)。
8.根据权利要求1所述的铯原子钟，其特征在于以一对起偏检偏镜替代一对偏振方向呈90度互相垂直的正交格兰泰勒棱镜(11)。
9.一种实现铯原子微波频率标准的方法，其特征在于所述方案包括以下步骤：
(1)在真空腔体内设置铯原子炉，通过铯原子炉获得准直铯原子束；
(2)通过法拉第激光器产生激光，通过反射使法拉第激光经过真空腔体的玻璃窗口入射至真空腔体内对铯原子束进行抽运，将铯原子抽运到量子数F＝4或F＝3能级上；
(3)经过法拉第激光抽运的铯原子在真空腔体内进入带C场和磁屏蔽的拉姆塞微波谐振腔，在受调制的微波作用下，铯原子在F＝4、m F＝0和F＝3、m F＝0两个能级之间产生跃迁；
(4)产生了跃迁的铯原子通过微波谐振腔后再次与法拉第激光相互作而发出荧光，所
2。