本发明属于微波原子钟及微波量子频率标准技术领域，涉及一种应用窄线宽激光光抽运和轴对称多级磁铁(包括四级、六级)束光学系统对从铯炉中发散的铯原子束在进入微波谐振腔前进行两维空间聚焦集聚作用的小型铯原子钟。
背景技术：
作为一级频率标准，铯原子微波钟已经被广泛应用于国防和民用方面，其在量子频率标准技术领域具有举足轻重的地位。目前商用磁选态铯原子微波钟采用的方法是使从铯炉中泻流的铯原子使用二级磁铁对铯原子选态，由于磁选态对于铯原子的浪费和铯炉中泻流出的铯原子空间上的发散，因此铯原子利用率很低，限制了铯钟信噪比和稳定度的提升。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供应用轴对称多级磁铁束光学系统的小型光抽运铯原子钟及实现方法，通过窄线宽激光光抽运，再采用轴对称多级磁铁(四级，六级)束光学系统通过对铯原子进行两维空间聚焦，使得原子能够发生精准的能级跃迁，同时减少磁选态对于铯原子的浪费和空间上的发散，实现对铯原子钟钟跃迁谱线信噪比和稳定度的提升。
本发明具体实施时，可采用单激光抽运(第一种方案)或双频激光抽运(第二种方案)；在本发明中第一种方案中，通过轴对称多级磁铁束光学系统的设计，将铯原子利用率相比于传统光抽运铯原子微波钟提升7倍左右。在第二种方案中，通过轴对称多级磁铁束光学系统结合双频激光光抽运方案，可将铯原子利用率相比于传统光抽运铯原子微波钟提升70倍左右，进而提升铯原子钟钟跃迁谱线的信噪比和稳定度近一个量级。经计算表明，相较于商用铯钟，第一种方案有望提高原子利用率约7倍，在第二种方案中可将铯原子利用率相比与传统光抽运铯原子微波钟提升70倍左右。
本发明的技术方案是：
一种应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟，包括：窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)、半波片、偏振分光棱镜、频率调制器、铯炉、轴对称多级磁铁束光学系统(四级，六级)、微波谐振腔、光电探测器、晶振频综、反馈控制电路；窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)依次连接半波片、偏振分光棱镜后分为两路光，一路经过频率调制器作为探测光，另一路作为抽运光。从铯炉中泻流的铯原子束通过抽运光进行抽运，随后先连接轴对称多级磁铁束光学系统(四级、六级)，而后连接微波谐振腔。探测光与出射铯原子作用，而后连接反馈控制电路后连接晶振频综，最后晶振频综连接到微波谐振腔。通过光电探测器检测铯原子与探测光作用的谱线，通过晶振频综及控制电路对得到的谱线进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟跃迁信号输出，并通过晶振频综反馈控制微波腔频率，从而实现一种应用多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟。
上述应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟，具体实施时，可采用两种实施方案。两种方案的区别在于方案一采用单激光抽运，经过单激光抽运，将铯原子抽运至6s1/2f＝4态；而方案二采用双频激光抽运，经过双频激光抽运，将铯原子抽运至6s1/2f＝4磁子能级mf＝0。
方案一：由窄线宽激光器发出的852nm窄线宽激光，经半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束作为抽运光，另一束经移频后作为探测光。铯原子经过抽运光作用后至6s1/2f＝4态(除m＝-4态外)，铯原子在经过多级磁铁(四级，六级)束光学系统后受到向心力作用，使得原本发散的原子束集聚聚焦进入到铯束管中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线。
随后经过频率调制器移频后的探测光(对应铯原子6s1/2f＝3–6p3/2f＝2跃迁；或者对应铯原子6s1/2f＝4–6p3/2f＝5)打到从微波谐振腔中射出的6s1/2f＝3或者f＝4态铯原子上。
方案二：所涉及装置在方案一基础上添加第二半波片、第二偏振分光棱镜及第二频率调制器。
由窄线宽激光器发出852nm窄线宽激光，经第二半波片和第二偏振分光棱镜分为两束，其中一束经过第二频率调制器调制后作为第一束抽运光(对应铯原子6s1/2f＝4–6p3/2f＝4跃迁)，另一束则经过半波片和偏振分光棱镜分为两束，一束用作第二抽运光(对应铯原子6s1/2f＝3–6p3/2f＝4跃迁)，另一束经频率调制器移频后用于探测光(对应铯原子6s1/2f＝3–6p3/2f＝2跃迁；或者对应铯原子6s1/2f＝4–6p3/2f＝5)。经过调制的和未经调制的抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4mf＝0态，此态铯原子经过轴对称多级磁铁束光学系统后受向心力作用，并通过光电探测器检测铯原子与探测光作用形成的谱线。
相比较于方案一采取双频激光抽运能增加有效铯原子数，进一步提升铯原子利用效率，进而提升铯原子钟钟跃迁谱线的信噪比和稳定度。
其中在方案一或方案二中：
窄线宽激光器可以是窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，也可以是其他窄线宽激光器。
频率调制器可以为声光调制器或电光调制器。
轴对称多级磁铁束光学系统，可以是轴对称六级磁铁束光学系统或轴对称四级磁铁束光学系统，这两种束光学系统对于原子的聚焦作用强度，改变原子在整个系统中的运动轨迹。
本发明还提出一种应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯钟的制备方法，包括以下步骤：
1)由窄线宽激光器发出的窄线宽激光，经半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束作为抽运光，另一束经移频后作为探测光。
2)随后抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至高能态，使得原本发散的铯原子束聚焦进入到铯束管中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线。
3)一束经频率调制器调制后的探测光打到从铯束管中射出的铯原子上，通过光电探测器检测铯原子与探测光作用形成的信号。
4)最后通过反馈控制电路对得到的谱线进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟跃迁信号输出，并通过晶振频综部分反馈控制微波腔频率，从而实现一种高稳定度高性能的应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯钟。
在步骤1)中，激光器可以是窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，也可以是其他窄线宽激光器。
在步骤2)中，轴对称多级磁铁束光学系统，可以是轴对称六级磁铁束光学系统或轴对称四级磁铁束光学系统，这两种束光学系统对于原子的聚焦作用强度都可以改变原子在整个系统中的运动轨迹。
在步骤2)中，其中微波谐振腔长约为20-30cm，轴对称六级磁铁长度为2-2.5cm，磁场强度为0.5t-0.8t，炉口至磁铁的距离约为1cm。
其中光抽运部分可以通过两个方案实现：
方案一：
在步骤1)中为由窄线宽激光器发出的窄线宽激光，经半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束作为抽运光，另一束经移频后作为探测光。
在步骤2)中为随后抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4态，此态除m＝-4外铯原子经过轴对称多级束光学系统受向心力作用，使得原本发散的原子束聚焦进入到微波腔中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线。随后一束经频率调制器调制后的探测光打到从铯束管中射出的铯原子上，通过光电探测器检测铯原子与探测光作用形成的谱线。
方案二：
在步骤1)中为由窄线宽激光器发出窄线宽激光，由第二半波片和第二偏振分光棱镜分为两束光其中一束经过第二频率调制器移频后作为第一抽运光，另一束则经过半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束用于第二抽运光，另一束进一步移频后用于探测光。
在步骤2)中为经过调制和未经调制的抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4mf＝0态，此态铯原子经过轴对称多级磁铁束光学系统受向心力作用，使得原本发散的原子束聚焦进入到微波腔中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线。随后一束经频率调制器调制后的探测光打到从铯束管中射出的铯原子上，通过光电探测器检测铯原子与探测光作用形成的谱线。
其中方案一为采用单激光抽运，方案二采用双频激光抽运。相比较于方案一，方案二采取双频激光抽运能有效增加铯原子数量，进一步提升铯原子利用效率，进而提升铯原子钟钟跃迁谱线的信噪比和稳定度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供应用轴对称多级磁铁束光学系统的小型光抽运铯原子钟及实现方法，创新地将轴对称多级磁铁(四级，六级)束光学系统应用到光抽运小型铯原子钟中，能够把经过光抽运铯原子束集聚，减少由于商用铯钟中磁铁选态所造成的铯原子浪费，以提高铯原子的利用效率，进而提升钟跃迁谱线的信噪比和铯钟的稳定度。本发明能够突破在铯原子钟中铯原子的利用效率的瓶颈，提高铯原子钟中铯原子利用率，提高钟跃迁信号的信噪比和铯钟的稳定度指标。在本发明中第一种方案中，通过轴对称多级磁铁束光学系统的设计，将铯原子利用率相比于传统光抽运铯原子微波钟提升7倍左右。在第二种方案中，通过轴对称多级磁铁束光学系统结合双频激光光抽运方案，可将铯原子利用率相比于传统光抽运铯原子微波钟提升70倍左右，进而提升铯原子钟钟跃迁谱线的信噪比和稳定度近一个量级。
附图说明
图1为本发明应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟实施方案一的结构示意图；
其中：1-窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)、2-半波片、3-偏振分光棱镜、4-频率调制器、5-铯炉、6-轴对称六级磁铁束光学系统、7-微波谐振腔、8-光电探测器、9-反馈控制电路、10-晶振频综。
图2为方案一中单激光光抽运铯原子的能级跃迁示意图，其中62p3/2，62s1/2为铯原子能级名称，f’＝5,f’＝4,f’＝3,f’＝2为62p3/2下的精细能级；f＝4,f＝3为62s1/2下的精细能级；λ＝852.355nm表示为此波长激光能使铯原子从62s1/2能级被抽运到62p3/2能级；h＝9192631770hz表示为62s1/2f＝4与62s1/2f＝3两个精细能级间的频率差。图中实线表示其被激光抽运，波浪线表示为原子自发辐射。
图3为本发明应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟实施例方案二的结构示意图。
其中：1-窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)、2-半波片、3-偏振分光棱镜、4-频率调制器、5-铯炉、6-轴对称六级磁铁束光学系统、7-微波谐振腔、8-光电探测器、9-反馈控制电路、10-晶振频综、11-第二半波片、12-第二偏振分光棱镜、13-第二频率调制器。
图4为方案二中双频激光光抽运铯原子的能级跃迁示意图，62p3/2和62s1/2表示为铯原子能级名称，f＝4，f＝3表示其能级下的精细能级，mf表示其精细能级下的超精细能级。图中实线表示其被激光抽运，虚线表示为原子自发辐射。
图5为六级磁铁磁极截面示意图，其中n，s表示为磁铁磁极。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1，本实施例的应用轴对称六级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟方案一包括：窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)1、半波片2、偏振分光棱镜3、频率调制器4、铯炉5、轴对称六级磁铁束光学系统6、微波谐振腔7、光电探测器8、反馈控制电路9、晶振频综10。其中所述窄线宽激光器1发出窄线宽激光，由半波片2和偏振分光棱镜3分为两束光分别用作抽运光和探测光。随后抽运光打在从铯炉5中泻流出的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4态(如图2所示经过单激光抽运后的铯原子都会在此态)，随后除m＝-4态铯原子经过轴对称六级磁铁束光学系统6受到向心力作用，使得原本发散的原子束聚焦进入到微波谐振腔7中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线，之后一束经频率调制器4移频后的探测光打到从铯束管中射出的6s1/2f＝3或f＝4铯原子上，通过光电探测器8检测6s1/2f＝3或6s1/2f＝4态铯原子与探测光作用形成的谱线，最后通过反馈控制电路9对得到的谱线进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟跃迁信号输出，并通过晶振频综10反馈控制微波谐振腔频率，从而实现一种高稳定度高性能的应用轴对称六级束光学系统的光抽运小型铯原子钟。
如图3，本实施例的应用轴对称六级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟方案二包括：
窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)1、半波片2、偏振分光棱镜3、频率调制器4、铯炉5、轴对称六级磁铁束光学系统6、微波谐振腔7、光电探测器8、反馈控制电路9、晶振频综10、第二半波片11、第二偏振分光棱镜12、第二频率调制器13。
其中所述窄线宽激光器(包含激光频率稳定系统)1发出窄线宽激光，由第二半波片11和第二偏振分光棱镜12分为两束光其中一束经过频率调制器13调制后的激光作为第一抽运光，另一束则经过半波片2和偏振分光棱镜3分为两束光一束用于第二抽运光，另一束使用频率调制器4移频后用于探测光。随后经过调制的和未经调制的抽运光打在从铯炉5中泻流出的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4mf＝0态(如图4所示经过此种双频激光抽运后的铯原子都会落在此态)，随后此态铯原子经过轴对称六级磁铁束光学系统6受到向心力作用，使得原本发散的原子束集聚进入到微波谐振腔7中并与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线，之后探测光打到从微波谐振腔中射出的6s1/2f＝3或者f＝4态铯原子上，通过光电探测器8检测铯原子与探测光作用形成的谱线，最后通过反馈控制电路9对得到的谱线进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟跃迁信号输出，并通过晶振频综10反馈控制微波谐振腔频率，从而实现一种高稳定度高性能的应用轴对称六级磁铁束光学系统的双频激光光抽运铯钟。
具体地，在本发明实施例中的应用轴对称六级磁铁束光学系统的光抽运小型铯原子钟的特征是首先采用单频激光或双频激光光抽运将铯原子抽运至高能态，随后使用轴对称多级磁铁束光学系统对铯原子束进行聚焦作用，以增加铯原子利用效率，进而提升钟跃迁谱线信噪比和稳定度。本发明在此情形下与已有的商用磁选态铯钟，以及光抽运铯原子钟有本质的区别。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的，比如：本发明中的轴对称六级磁铁束光学系统可以使用轴对称四级磁铁束光学系统；单激光抽运可以用双频激光抽运；激光探测也可以改用磁选态探测。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
技术特征：
1.一种应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟，包括：窄线宽激光器、半波片、偏振分光棱镜、铯炉、轴对称多级磁铁束光学系统、微波谐振腔、光电探测器、晶振频综和反馈控制电路；
窄线宽激光器依次连接半波片与偏振分光棱镜后分为两路光，一路经过频率调制器作为探测光，另一路作为抽运光；抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子束，随后连接轴对称多级磁铁束光学系统，再连接微波谐振腔；探测光与出射铯原子作用，而后连接反馈控制电路后连接晶振频综，最后晶振频综连接到微波谐振腔；通过光电探测器检测铯原子与探测光作用的谱线，通过晶振频综和反馈控制电路对得到的谱线进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟跃迁信号输出，通过晶振频综反馈控制微波腔频率，由此得到应用光抽运和多级磁铁束光学系统的光抽运铯原子钟。
2.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟，其特征是，所述抽运光采用单激光抽运或双频激光抽运。
3.如权利要求2所述应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟，其特征是，所述单激光抽运将铯原子抽运至6s1/2f＝4态；所述双频激光抽运将铯原子抽运至6s1/2f＝4mf＝0。
4.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟，其特征是，还包括第二半波片、第二偏振分光棱镜和第二频率调制器；所述抽运光采用双频激光抽运。
5.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟，其特征是，窄线宽激光器为窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器；和/或，频率调制器包括声光调制器和电光调制器；和/或，轴对称多级磁铁束光学系统包括轴对称六级磁铁束光学系统和轴对称四级磁铁束光学系统。
6.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟，其特征是，窄线宽激光器包括激光频率稳定系统；轴对称多级磁铁束光学系统包括四级和六级。
7.一种应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯钟的制备方法，包括以下步骤：
1)由窄线宽激光器发出窄线宽激光；经半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束作为抽运光，另一束经移频后作为探测光；
2)随后抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至高能态，使得原本发散的铯原子束聚焦进入到铯束管中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线；
3)探测光经频率调制器调制后，打到从铯束管中射出的铯原子上，通过光电探测器检测铯原子与探测光作用形成的信号；
4)通过反馈控制电路对得到的谱线进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟跃迁信号输出，并通过晶振频综部分反馈控制微波腔频率；
通过上述步骤，制备得到高稳定度高性能的应用轴对称多级磁铁束光学系统的小型光抽运铯钟。
8.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯钟的制备方法，其特征是，激光器为窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器；和/或，轴对称多级磁铁束光学系统包括轴对称六级磁铁束光学系统和轴对称四级磁铁束光学系统。
9.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯钟的制备方法，其特征是，在步骤2)中，微波谐振腔长约为20-30cm，轴对称六级磁铁长度为2-2.5cm，磁场强度为0.5t-0.8t，炉口至磁铁的距离约为1cm。
10.如权利要求1所述应用轴对称多级磁铁束光学系统的光抽运小型铯钟的制备方法，其特征是，所述光抽运通过方案一或方案二实现；
所述方案一为：
在步骤1)中，由窄线宽激光器发出的窄线宽激光，经半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束作为抽运光，另一束经移频后作为探测光；在步骤2)中，随后抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4态，此态除m＝-4外铯原子经过轴对称多级束光学系统受向心力作用，使得原本发散的原子束聚焦进入到微波腔中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线；随后一束经频率调制器调制后的探测光打到从铯束管中射出的铯原子上，通过光电探测器检测铯原子与探测光作用形成谱线；
所述方案二为：
在步骤1)中，由窄线宽激光器发出窄线宽激光，由第二半波片和第二偏振分光棱镜分为两束光；其中一束经过第二频率调制器移频后作为第一抽运光，另一束经过半波片和偏振分光棱镜分为两束光，一束作为第二抽运光，另一束进一步移频后作为探测光；在步骤2)中，经过调制和未经调制的抽运光打在从铯炉中泻流的铯原子上，铯原子经过抽运光的作用后至6s1/2f＝4mf＝0态；此态铯原子经过轴对称多级磁铁束光学系统受向心力作用，使得原本发散的原子束聚焦进入到微波腔中与微波信号发生共振作用，获得钟跃迁谱线；随后经频率调制器调制后的探测光打到从铯束管中射出的铯原子上，通过光电探测器检测铯原子与探测光作用，从而形成谱线。
技术总结
本发明公布了一种应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟及实现方法，属于微波原子钟及微波量子频率标准技术领域。本发明创新地将轴对称多级磁铁束光学系统应用到光抽运小型铯原子钟中，能够把经过光抽运的铯原子束在进入微波谐振腔前集聚，以减少由从铯炉中泻流的铯原子空间上的发散和磁选态对于铯原子的损耗，以提高铯原子的利用效率，进而提高钟跃迁信号的信噪比和铯钟的稳定度指标。该发明能够提高在铯原子钟中铯原子的利用效率，提高钟跃迁信号的信噪比和铯钟的稳定度指标。
技术研发人员：陈景标;潘多;刘天宇
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：.10.11
技术公布日：.02.11
