本申請涉及冷原子頻標(biāo)，具體涉及一種超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置及應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：

1、冷原子鐘主要是利用冷原子與微波之間的分離振蕩場相互作用產(chǎn)生鑒頻曲線，從而使本地振蕩器輸出高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的頻率信號。微波腔作為冷原子鐘的核心裝置，在原子經(jīng)過冷卻后提供微波輻射場與冷原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷的場所。微波腔主要包括圓柱形腔筒、上圓形端蓋、下圓形端蓋等。圓柱形腔筒內(nèi)側(cè)和上、下圓形端蓋內(nèi)側(cè)共同組成微波振蕩場的空間區(qū)域，且在中心區(qū)域振蕩場為均勻場，該均勻場即為與冷原子相互作用的磁場區(qū)域。同時(shí)需要在微波腔上安裝所需微波饋入器件，用于將外部微波信號注入進(jìn)微波腔內(nèi)，使得與微波腔諧振頻率一致的微波頻率能夠進(jìn)入微波腔內(nèi)，并在微波腔內(nèi)形成振蕩。使用時(shí)，微波腔的諧振頻率調(diào)諧到接近冷原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級之間的躍遷頻率，并根據(jù)所需的周期性時(shí)序?qū)ξ⒉ㄟM(jìn)行開啟和關(guān)斷操控。比如，對于噴泉冷原子鐘，僅當(dāng)冷原子團(tuán)在上拋和下落兩次通過微波腔時(shí)，微波才開啟被注入進(jìn)微波腔：對于積分球冷原子鐘，冷原子團(tuán)無上拋和下落過程，一直處于原位，因此僅根據(jù)所需時(shí)序在時(shí)間上進(jìn)行開啟和關(guān)斷控制即可。

2、然而，現(xiàn)有技術(shù)中單的微波腔的圓柱形腔筒、上圓形端蓋、下圓形端蓋等采用的金屬材料，比如銅、鋁，這些金屬的熱膨脹系數(shù)均較大，使得微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動非常敏感，具有超高溫度系數(shù)。即使可采用熱膨脹系數(shù)不同的金屬進(jìn)行圓柱形腔筒、上圓形端蓋、下圓形端蓋的材質(zhì)搭配，微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動依然敏感，具有較高溫度系數(shù)，僅比銅和鋁材質(zhì)微波腔低不足一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)環(huán)境溫度波動時(shí)，微波腔諧振頻率相對于原子躍遷頻率的失諧量亦會較大波動，同時(shí)微波功率也會偏移最佳功率，從而誘導(dǎo)冷原子鐘產(chǎn)生較大的腔牽引頻移和微波功率相關(guān)頻移。

3、因此鑒于上述問題，亟需開展新方案和新技術(shù)攻關(guān)，以降低微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動的敏感性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請實(shí)施例提供一種超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置及應(yīng)用方法，可以降低微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動的敏感性，進(jìn)而降低其溫度系數(shù)，提升冷原子鐘性能的長期保持能力。

2、為達(dá)到上述目的，本申請采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本申請?zhí)峁┮环N超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，該裝置包括：由超低熱膨脹系數(shù)玻璃制成的腔筒、上端蓋和下端蓋；

4、腔筒為圓柱形，上端蓋和下端蓋為圓形，且腔筒的外徑和上端蓋、下端蓋的直徑相同，腔筒、上端蓋和下端蓋之間通過膠粘方式進(jìn)行圓周位置連接；

5、腔筒、上端蓋和下端蓋的內(nèi)表面噴涂有銀層，銀層用于對激光進(jìn)行漫反射；

6、腔筒、上端蓋和下端蓋的外表面噴涂有石墨層，石墨層用于吸收雜散激光；

7、微波腔的外表面設(shè)置有至少一個(gè)饋入端口，饋入端口用于微波信號的輸入。

8、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，銀層通過濺射和/或電鍍的方式噴涂。

9、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，銀層的厚度大于微波信號的趨膚深度，使得微波信號能夠有效地在銀層表面?zhèn)鞑ァ?/p>

10、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，饋入端口通過膠粘方式固定于下端蓋。

11、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，下端蓋圓周外側(cè)設(shè)置至少三個(gè)尺寸相同的支撐底座，且均勻分布。

12、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，支撐底座由超低熱膨脹系數(shù)玻璃制成，并且，支撐底座通過膠粘方式固定于下端蓋。

13、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，上端蓋和下端蓋的中心位置開設(shè)有圓柱形波導(dǎo)，用于降低微波泄漏和/或?qū)崿F(xiàn)冷原子團(tuán)兩次通過微波腔。

14、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，腔筒、上端蓋和下端蓋的尺寸根據(jù)所需諧振頻率和工作模式確定。

15、一種可能的設(shè)計(jì)方案，第一方面的裝置還包括，膠粘使用的是低溫穩(wěn)定性的專用膠。

16、第二方面，本申請?zhí)峁┮环N超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置的應(yīng)用方法，該方法包括：

17、冷原子制備階段：在微波腔內(nèi)部或者外部將原子冷卻至基態(tài)上能級，并通過激光抽運(yùn)或者微波抽運(yùn)的方法將冷原子制備到基態(tài)下能級，處于基態(tài)下能級冷原子在微波腔內(nèi)原位不動或者通過拋射的方式第一次進(jìn)入微波腔內(nèi)。

18、微波相互作用階段：處于基態(tài)下能級冷原子在微波腔內(nèi)時(shí)，在第一個(gè)微波脈沖相互作用時(shí)間內(nèi)，開啟微波；冷原子與微波場進(jìn)行相互作用并發(fā)生π/2躍遷；在自由演化時(shí)間內(nèi)，關(guān)閉微波場，冷原子原位處于微波腔內(nèi)或者離開微波腔，并會積累一定的相位；在第二個(gè)微波脈沖相互作用時(shí)間內(nèi)，再次開啟微波場，處于原位的冷原子或者下落第二次穿過微波腔，與微波場再次進(jìn)行相互作用并發(fā)生π/2躍遷。

19、探測階段：開啟探測光，對于原位冷原子可以直接進(jìn)行信號檢測，對于下落的冷原子可繼續(xù)下落，在其下落過程中進(jìn)行信號檢測。

20、在本申請實(shí)施例中，通過采用一種超低熱膨脹系數(shù)玻璃制成冷原子鐘微波腔裝置，使得微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動的敏感性降低約三個(gè)數(shù)量級，微波腔溫度系數(shù)降低約三個(gè)數(shù)量級，甚至在零膨脹溫度點(diǎn)，也即，可降低微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動的敏感性，進(jìn)而降低微波腔溫度系數(shù)，提升冷原子鐘性能的長期保持能力，而且該裝置結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)材料和加工成本低，方法合理，易操作，為冷原子鐘工程化發(fā)展和非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等苛刻場景下的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

21、本申請的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述微波腔裝置包括：由超低熱膨脹系數(shù)玻璃制成的腔筒、上端蓋和下端蓋；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述銀層通過濺射和/或電鍍的方式噴涂。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述銀層的厚度大于所述微波信號的趨膚深度，使得微波信號能夠有效地在銀層表面?zhèn)鞑ァ?/p>

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述饋入端口通過膠粘方式固定于所述下端蓋。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述下端蓋圓周外側(cè)設(shè)置至少三個(gè)尺寸相同的支撐底座，且均勻分布。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述支撐底座由超低熱膨脹系數(shù)玻璃制成，并且，所述支撐底座通過膠粘方式固定于所述下端蓋。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述上端蓋和所述下端蓋的中心位置開設(shè)有圓柱形波導(dǎo)，用于降低微波泄漏和/或?qū)崿F(xiàn)冷原子團(tuán)兩次通過微波腔。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述腔筒、所述上端蓋和所述下端蓋的尺寸根據(jù)所需諧振頻率和工作模式確定。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述膠粘使用的是低溫穩(wěn)定性的專用膠。

10.一種超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置的應(yīng)用方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述一種超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置，其特征在于，所述應(yīng)用方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┮环N超低溫度系數(shù)冷原子鐘微波腔裝置及應(yīng)用方法，以降低微波腔的諧振頻率對環(huán)境溫度波動的敏感性，進(jìn)而降低其溫度系數(shù)，提升冷原子鐘性能的長期保持能力，該裝置包括：由超低熱膨脹系數(shù)玻璃制成的腔筒、上端蓋、下端蓋，其中，腔筒為圓柱形，上端蓋和下端蓋為圓形，且腔筒的外徑和上端蓋、下端蓋的直徑相同，腔筒、上端蓋和下端蓋之間通過膠粘方式進(jìn)行圓周位置連接；腔筒、上端蓋和下端蓋的內(nèi)表面噴涂有銀層，銀層用于對激光進(jìn)行漫反射；腔筒、上端蓋和下端蓋的外表面噴涂有石墨層，石墨層用于吸收雜散激光；微波腔的外表面設(shè)置有至少一個(gè)饋入端口，饋入端口用于微波信號的輸入。

技術(shù)研發(fā)人員：王秀梅,張升康,李悅寶,王丹陽,王一非,李世光,王亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京無線電計(jì)量測試研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8