用于冷原子频率标准的系统和方法

摘要

本文提供了用于冷原子频率标准的系统和方法。在某些实施例中，冷原子微波频率标准包括真空室，真空室包括中柱，中柱是中空的并且具有第一开口端与第二开口端；接合到第一开口端的第一端部分；以及接合到第二开口端的第二端部分，其中第一端部分、中柱以及第二端部分包围包含原子的中空体积，第一端部分以及第二端部分被配置成允许光进入到中空体积中。冷原子微波频率标准也包括环绕中柱的圆柱对称的谐振器，其中谐振器在中空体积中生成在原子的谐振频率处的微波场。

说明书

相关申请的交叉引用

该申请要求2013年7月22日提交的美国临时专利申请系列号61/856,914的权益，在此通过引用将其并入本文。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明在由DARPA授予的合同号W31P4Q-09-C-0348下以政府支持做出。政府在发明中具有某些权利。

技术领域

本发明涉及用于冷原子频率标准的系统和方法。

背景技术

原子频率标准（原子钟）是可用的最稳定的频率参考中的某些。由于通过原子钟提供的稳定性，原子钟在要求稳定频率参考的多个应用中被频繁使用。然而，高性能原子钟传统上是相对大的机架安装或者桌面设备。因此，正在进行努力以诸如通过减小原子钟以及利用冷原子云作为感测元件的其他传感器的物理封装来减小原子钟的大小。

使得物理封装更小具有独特且复杂的挑战，因为物理封装必须被封闭地密封、允许到其内部中的光的引入并且必须由非磁材料构造。在制造物理封装的某些方法中，玻璃体被机器制造有多个孔用于在其外部上的镜和窗的放置，以及充当光路来捕获、冷却以及操纵冷原子样本的多个成角度的钻孔。

一般地，激光冷却原子钟通过以来自通过一个或多个传导体生成的一个或多个激光与磁约束场的光束捕获以及操纵原子来操作。物理封装限定保持被操纵和测量的原子的真空密封的室。在物理封装之内的原子在该体积之内被捕获，使得多个光路与来自不同角度的原子相交。开发虑及大的光束以及多光束配置的增加灵活性的小体积物理封装对于高性能小型原子物理封装的开发是重要的。然而，针对原子钟的较小大小的要求呈现针对当前建造技术的挑战。

发明内容

本文提供了用于冷原子频率标准的系统和方法。在某些实施例中，冷原子微波频率标准包括真空室，真空室包括中柱，中柱是中空的并且具有第一开口端和第二开口端；接合到第一开口端的第一端部分；以及接合到第二开口端的第二端部分，其中第一端部分、中柱以及第二端部分包围包含原子的中空体积，第一端部分以及第二端部分被配置成允许光进入到中空体积中。冷原子微波频率标准也包括环绕中柱的圆柱对称的谐振器，其中谐振器在中空体积中生成在原子的谐振频率处的微波场。

附图说明

应理解图仅描绘示例性实施例并且因此不应被认为是范围中的限制，将以附加的特性以及细节通过附图的使用描述所述示例性实施例，其中：

图1是图示了在本公开中描述的一个实施例中的、真空室的多个视图的图。

图2是图示了在本公开中描述的一个实施例中的、谐振器的多个视图的图。

图3是图示了在本公开中描述的一个实施例中的、物理封装的多个视图的图。

图4A-4C图示了在本公开中描述的一个实施例中的、真空室的制造的若干视图。

图5是在本公开中描述的一个实施例中的、安装用于原子钟的系统的图。

图6是图示了在本公开中描述的一个实施例中的、用于制造原子钟的方法的流程图。

根据惯例，各种描述的特征没有按比例绘制，但是被绘制来强调与示例性实施例有关的具体特征。

具体实施方式

在下文详细的描述中，对形成本文的一部分的附图做出参考，并且其中经由图示具体说明性实施例来示出。然而，应理解可以利用其他实施例，并且可以做出逻辑的、机械的和电的改变。更进一步地，在图以及说明书中呈现的方法不应被理解为限制顺序，可以以所述顺序执行单独的步骤。因此，下文详细的描述不应在限制意义上加以考虑。

提供了用于冷原子频率标准（原子钟）的系统与方法。如下文描述的，冷原子原子钟通过在真空密封室之内捕获原子并且测量原子的特性来运转。例如，捕获的原子的分光镜测量（spectroscopic measurements）可以用作计时系统中的参考频率。如在本公开中描述的，在圆柱对称的谐振器之内安装真空室，其中真空室接纳（admit）在真空室内的特定位置处冷却/捕获原子的激光束。在至少一个实施中，在真空室上的有小平面（faceted）的窗允许激光束到在谐振器之内装配的真空室中的引入。进一步地，谐振器环绕真空室，并且当操作时，生成通过真空室的中间的持续的微波场。如上文描述的，该系统与方法应用于冷原子原子钟。上文以及进一步下文描述的实施例也一般地应用于冷原子传感器。

图1是图示了真空室100的多个视图的图。在某些示例中，真空室100包括中柱104、第一端部分102以及第二端部分106。中柱104是环绕包围的体积108的中空的、端开口的柱。在至少一个实施中，中柱104是从不妨碍射频（RF）能量通过材料的传输的刚性材料制造的。例如，中柱104可以从玻璃、硅、陶瓷等等制造。

与中柱104对比，第一端部分102以及第二端部分106是从透明的并且在光穿过第一端部分102以及第二端部分106之时不强烈吸收光的材料制造的。例如，第一端部分102以及第二端部分106可以从玻璃或者虑及光透过材料的通过的其他材料制造。在至少一个实施中，允许光穿过的第一端部分102以及第二端部分106的部分被抛光以进一步地减少在第一端部分102以及第二端部分106中的材料与直接穿过第一端部分102以及第二端部分106的光互相作用的可能性。在至少一个实施中，第一端部分102以及第二端部分106中的一个被作为中柱104的一部分制造。

在某些实施例中，第一端部分102以及第二端部分106被接合到中柱104的相对端，使得中柱104、第一端部分102以及第二端部分106的组合完全地包围在真空室100之内的包围的体积108。进一步地，当第一端部分102以及第二端部分106被接合到中柱104时，第一端部分102以及第二端部分106被结合到中柱104，使得包围的体积108在真空室100之内被封闭地密封。例如，第一端部分102以及第二端部分106使用熔接（frit）接合到中柱104。一般地，第一端部分102以及第二端部分106可以通过材料接合到中柱104或者使用能够形成封闭密封并且在原子钟的操作期间维持封闭密封的方法来结合。在至少一个实施中，在附接到真空室100的吸气管（getter tube）中形成吸气器（getter），其中该吸气管在制造之后帮助保持真空。在美国专利申请系列号13/231,438（律师案卷号H0030913-5473）、标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR GETTERING AN ATOMIC SENSOR”中示出吸气管，通过引用将其并入本文。

在某些实施例中，当真空室100作为冷原子传感器的一部分运转时，包围的体积108包含通过引入到包围的体积108中的激光来冷却的原子。例如，包围的体积108可以包含铷原子或者具有允许原子在原子钟中运转的特性的另一原子。为了将光引入到包围的体积108中，光被引入通过第一端部分102、第二端部分106或者第一端部分102与第二端部分106两者。在某些实施例中，光源被布置在真空室周围，使得在光端口110处被引入到包围的体积108中的光将以九十度角度彼此相交。被引入到包围的体积108中的光从背景蒸汽或者热原子的其他源收集原子，然后冷却并且压缩收集的原子来形成样本，将测量该样本的性质用于原子钟的操作。在至少一个实施中，光在如下时段期间被熄灭，在所述时段期间测量原子的性质。

图2是图示了谐振器200的多个视图的图。谐振器200在谐振腔之内提供持续的微波场。在某些实施中，谐振器200是环隙谐振器（loop gap resonator）。当谐振器200是环隙谐振器时，谐振器200包括支撑204、电极208、屏蔽206以及间隙202。例如，谐振器200包括在圆柱屏蔽206之内的金属开槽的环，其中通过沿着环由间隙202分离的电极208形成环，其中通过将电极208连接到屏蔽206的支撑204来支撑环。在谐振器200之内，谐振器200能够产生微波场。进一步地，谐振器200的形状确定谐振的微波场的频率。例如，间隙202的大小、支撑204的长度、屏蔽206的圆周以及电极208的大小确定谐振微波场的频率。

在某些实施中，如在图3中所示，真空室100可以被放置在谐振器200之内以形成物理封装300。如在图3中示出，谐振器200是开口端谐振器，其中谐振器200环绕真空室100的中柱104。谐振器200在真空室100之内生成探测在真空室100之内的原子的微波场。进一步地，谐振器200允许第一端部分102以及第二端部分106暴露于在不同角度处的多个激光，来捕获在真空室100之内的原子。进一步地，因为物理封装被实施为冷原子传感器，所以谐振器200产生具有沿着谐振器的轴的均匀、线性的极化以及贯穿在谐振器200之内和在真空室100之内的体积的同质空间相位的微波场。在至少一个实施中，其中在真空室之内的原子是铷原子，谐振器200在真空室100之内生成具有6.835 GHz的频率的微波场，其中生成的频率是原子的基态超精细跃迁的谐振频率，其被一般地用作微波钟中的时钟跃迁。

图4A-4C图示了真空室400的制造的若干视图。例如，图4A图示了真空室400的分解图，其中真空室400类似于在图1中的真空室100。真空室400包括以类似于在图1中的第一端部分102、中柱104以及第二端部分106的方式运转的第一端部分402、中柱404以及第二端部分406。如图示，第一端部分402通过第一熔接密封403结合到中柱404的一侧。第二端部分406同样地通过第二熔接密封405结合到中柱404的相对一侧。在处理期间，第一熔接密封403以及第二熔接密封405被加热使得第一熔接密封403以及第二熔接密封405熔化并且将第一端部分402以及第二端部分406封闭地密封到中柱404的相对侧。在替代实施中，第一端部分402以及第二端部分406通过诸如阳极结合（anodic bonding）等等的不同于熔接密封的手段结合到中柱404。

图4B图示了真空室400的真空管的安装。在某些实施中，真空室400可以包括第一真空管408以及第二真空管410。第一真空管408以及第二真空管410辅助从真空室400排气并且辅助维持在真空室400之内的真空。进一步地，第一真空管408以及第二真空管410中的一个可以作为用于将原子源引入到排气的真空室400中的填充管运转。例如，当真空管作为填充管运转时，真空管可以在真空管之内包含原子源或者储存器（reservoir）。在通过不包含原子源的真空管从真空室排气时，填充管就可以被挤压来将原子源引入到真空室中。然后，引入的原子源可以释放原子，其中然后通过在真空室400之内的光束来捕获并操纵释放的原子。在至少一个实施例中，第一真空管408通过第一真空熔接密封401结合到第一端部分402。同样地，第二真空管410通过第二真空熔接密封407结合到第二端部分406。图4C图示了当真空室400的不同部件彼此结合时的真空室400。如图示，真空室400连接到两个真空管，然而，在替代实施中，真空室400可以连接到更大量的真空管。进一步地在美国专利申请系列号12/263,186（律师案卷号H0020714-5412）、标题为“METHODS FOR INTRODUCTION OF A REACTIVE MATERIAL INTO A VACUUM CHAMBER”中描述真空管，通过引用将其并入本文。

图5图示了被用于保持物理封装300的结构500的一个示例性实施。例如，结构500包括具有真空连接506的刚性框架502。真空连接506连接到从真空室100延伸离开以将气体泵出真空室的真空管。进一步地，框架502包括控制被提供到物理封装300的光与信号的功能固定物504。例如，功能固定物504包括激光束、分束器、反射器、支持电子器件（support electronics）等等。例如，功能固定物504将光束（诸如激光）引导到真空室100中，使得光束在物理封装之内以直角相交，并且在光束相交的位置处捕获原子。同样，功能固定物504可以包括耦合环以及可能的调谐元件，该可能的调谐元件驱动谐振器200来在物理封装300之内如上文描述的提供期望的微波场。在进一步实施例中，结构500可以包括固定（secure）真空室100关于谐振器200的位置的耦合元件。

图6是根据至少一个实施例的、用于制造物理封装的方法600的流程图。方法600在602处进行，其中制造真空室。例如，通过形成两个单独的端部分并且将端部分结合到中空的中柱来制造真空室，其中中空的中柱在柱的相对侧上具有两个开口端并且使用封闭密封将端部分结合到中柱的开口端。端部分到中柱的结合包围在真空室之内的包围的体积。进一步地，当中柱以及端部分彼此结合时，中柱以及端部分在惰性气体面前（in the presence of）。在至少一个实施中，通过经由诸如在图4中的真空连接506的管连接到室的真空泵将惰性气体泵出。然后，原子可以从附接到室的储存器被释放到室中。在至少一个实施中，当真空室被用作原子钟时，真空连接被保持附接到真空室。

方法600在604处进行，其中制造谐振器。谐振器是当通过微波能量的源驱动时在谐振器的内部体积之内建立持续的微波场的设备。在至少一个实施中，谐振器是环隙谐振器，该环隙谐振器已被调谐以提供在包含在真空室之内的原子种类的内部能级之间的电磁跃迁的谐振频率处的同质微波场。方法600然后进行到606，其中将真空室安装在谐振器之内。例如，安装真空室使得谐振器环绕中柱，并且光源被定位使得激光通过真空室的端部分进入以在激光在真空室之内相交的位置处捕获在真空室中的原子。进一步地，通过谐振器生成的微波场能够探测捕获的原子以在提供参考频率时提供使用的测量。

示例性实施例

示例1包括冷原子微波频率标准，其包括：真空室，真空室包括：中柱，该中柱是中空的并且具有第一开口端与第二开口端；接合到第一开口端的第一端部分；以及接合到第二开口端的第二端部分，其中第一端部分、中柱以及第二端部分包围包含原子的中空体积，第一端部分以及第二端部分被配置成允许光进入到中空体积中；以及环绕中柱的圆柱对称谐振器，其中谐振器在中空体积中生成在原子的谐振频率处的微波场。

示例2包括示例1的冷原子频率标准，其中中柱具有圆周，所述圆周至少是以下中的至少一个：圆形的；以及多边形的。

示例3包括示例1-2中任一项的冷原子频率标准，其中真空室进一步包括封闭地结合到真空室的至少一个真空管，至少一个真空管被配置用于以下中的至少一个：将固体材料引入到真空室中；以及连接到真空，使得通过至少一个真空管从真空室排气。

示例4包括示例1-3中任一项的冷原子频率标准，其中谐振器是环隙谐振器。

示例5包括示例1-4中任一项的冷原子频率标准，进一步包括被配置成从中空体积之内排气的吸气器。

示例6包括示例1-5中任一项的冷原子频率标准，其中在框架之内安装谐振器与真空室，框架包括至少一个光源来将多个光束引入到中空体积中，其中多个光束在中空体积之内相交以捕获原子。

示例7包括示例1-6中任一项的冷原子频率标准，其中原子是铷原子。

示例8包括用于制造频率标准的方法，该方法包括：制造真空室，其中真空室包括封闭地包围原子的中空体积；制造谐振器，其中谐振器被配置成生成在谐振器的内部体积之内的原子的谐振频率处的微波场；以及将真空室安装在谐振器之内，其中真空室被放置在谐振器的内部体积之内使得多个光束可以进入到中空体积中来捕获原子。

示例9包括示例8的方法，其中制造真空室包括：制造中柱，其中中柱环绕中空体积，中柱具有第一开口端以及相对第一开口端的第二开口端；制造第一端部分；制造第二端部分；以及将第一端部分结合到第一开口端并且将第二端部分结合到第二开口端，其中原子被封闭地密封在中空体积之内。

示例10包括示例9的方法，其中从不妨碍射频能量通过材料的传输的材料制造中柱。

示例11包括示例9-10中任一项的方法，其中从透明材料制造第一端部分以及第二端部分。

示例12包括示例9-11中任一项的方法，进一步包括：制造在真空室上的吸气管；以及激活吸气器。

示例13包括示例9-12中任一项的方法，其中在惰性气体的存在中，第一端部分被封闭地结合到第一开口端并且第二端部分被封闭地结合到第二开口端。

示例14包括示例9-13中任一项的方法，其中将第一端部分结合到第一开口端以及将第二端部分结合到第二开口端包括将第一端部分阳极（anodically）结合到第一开口端以及将第二端部分阳极结合到第二开口端。

示例15包括示例8-14中任一项的方法，其中谐振器是环隙谐振器。

示例16包括示例8-15中任一项的方法，进一步包括从中空体积之内排气。

示例17包括示例8-16中任一项的方法，其中在谐振器之内安装真空室包括将真空室以及谐振器安装在维持在谐振器之内的真空室的框架上。

示例18包括频率标准，其包括：真空室，真空室包括：中柱，中柱是中空的并且具有第一开口端以及第二开口端；接合到第一开口端的第一端部分；以及接合到第二开口端的第二端部分，其中第一端部分、中柱以及第二端部分封闭地包围包含原子的中空体积，第一端部分以及第二端部分被配置成允许光进入到中空体积中；谐振器，其被配置成在中空体积中生成在谐振器的内部体积之内的原子的谐振频率处的微波场；框架，其被配置成固定在谐振器之内的真空室，使得由谐振器环绕中柱；以及安装到框架的至少一个光源，其中光源引入正交相交的多个光束来捕获在中空体积之内的原子。

示例19包括示例18的频率标准，其中谐振器是环隙谐振器。

示例20包括示例18-19中任一项的频率标准，其中从透明材料制造第一端部分以及第二端部分。

虽然本文已经说明并描述了具体的实施例，但是本领域普通技术人员应理解，打算实现相同目的的任何布置可以代替示出的具体实施例。因此，显然意图仅由权利要求书或它的等同物限制本发明。