一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘的製作方法

2023-06-04 21:01:36 1

專利名稱：一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘的製作方法
技術領域：
本發明是關於原子鐘的設計方法，具體涉及一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘。
背景技術：
傳統原子鐘的原理是，探測原子能級的參考譜線，並將原子鐘輸出的頻率與參考譜線 鎖定，從而得到穩定的原子鐘頻率。具體講，是以原子某個能級的躍遷吸收或發射的頻率 譜線為基準(由於它具有相對較高的穩定性)，用鎖相電路或類似技術將一個微波信號或 光頻信號與這一躍遷頻率的中心鎖定，從而獲得一個與原子躍遷頻率接近一致的頻率輸 出，作為原子鐘的基準頻率，而後在經過頻率變換使其輸出一個相對穩定的特定頻率信號。 因此，傳統原子鐘的的重要部分就是輸出頻率與參考譜線的鎖定，鎖定電路要求很高，而 且容易產生不穩因素。

發明內容
本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種原子鐘基準頻率的獲取方法，利用該方 法無需對原子鐘的調製頻率進行鎖定，使得原子鐘的結構簡化，提高了外部環境的適應性。 本發明的技術方案是
一種原子鐘基準頻率的獲取方法，其步驟包括
1) 用驅動電流源驅動半導體雷射器，該半導體雷射器同時受微波信號調製，產生兩個 頻率差等於上述微波信號頻率的泵浦雷射；
2) 上述兩個泵浦雷射與具有A三能級系統的原子作用，所述微波信號的頻率與原子A 三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大於相干布居數囚禁(CPT)譜線半寬度， 產生一個與CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；
3) 將上述馳豫振蕩信號的頻率與上述調製半導體雷射器的微波信號的頻率相加，得到 原子鐘的標準頻率。
驅動電流源產生一個方波信號，對驅動電流進行調製，驅動電流在工作點和閾值以下 周期性變換，使泵浦雷射按一定周期激發CPT失諧瞬態振蕩。該方波信號的頻率小於CPT 失諧瞬態振蕩頻率。
一種原子鐘，包括一微波信號源，用於產生微波信號； 一驅動電流源，用於產生半導體雷射器的驅動電流； 一偏置樹Bias-T，用於驅動電流信號和微波信號疊加；
一半導體雷射器，上述疊加後信號作為該雷射器的驅動和調製信號，產生兩個頻率差 等於上述微波信號頻率的泵浦雷射；
一原子氣室，具有A三能級系統的原子蒸汽置於該氣室內，上述兩個泵浦雷射與具有A 三能級系統的原子作用，產生一個與CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號，
一光電轉換器，用於對上述馳豫振蕩信號進行光電轉換；轉換後的信號一路反饋到驅 動電流源，用於鎖定半導體雷射器的工作波長，另一路信號經過一信號讀取轉換器，轉換 成頻率相同的正弦波信號；
一混頻器，用於上述正弦波信號和調製半導體雷射器的微波信號相加，獲得原子鐘標 準頻率信號。
所述半導體雷射器產生的泵浦雷射信號經過一衰減片，該衰減片用於調整雷射信號的 功率達到原子鐘工作所需要的強度，所述衰減片可由偏振片組或光學衰減片構成。
所述半 導體雷射器產生的泵浦雷射信號經過一X/4波片，該X/4波片用於將雷射信號輸 出的線偏振光轉換為激發CPT所需要的園偏振光。
所述微波信號源的微波信號通過一延時系統進入混頻器，該延時系統使經過半導體激 光器、光電轉換器和信號讀取轉換器到達混頻器的信號和直接從微波源到達混頻器的信號 有相同的時延。
與現有技術相比，本發明的有益效果是
本發明利用相干布居數囚禁(CPT)失諧瞬態振蕩現象，即當微波信號的頻率與原子A 三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大於相干布居數囚禁CPT譜線半寬度時， 可產生一個與相干布居數囚禁CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號，該CPT失諧 瞬態振蕩的頻率等於兩泵浦雷射頻率差與原子基態兩個超精細結構頻率間隔的差值。本發 明將探測到的馳豫振蕩信號頻率與調製雷射的微波頻率相加直接得到超精細結構的頻率 差，從而獲得原子鐘的基準頻率。本發明將不需要對調製頻率進行鎖定，因為一旦微波頻 率漂移，它與原子基態兩個超精細結構頻率間隔的差值會改變，與這一差值相等的馳豫振 蕩的頻率也會有相應的改變。將調製信號與探測到的馳豫振蕩頻率相加時，頻率的漂移會 被探測到的CPT失諧瞬態振蕩頻率的改變所補償，從而省去了傳統原子鐘的鎖定電路部 分。這就使得原子鐘的結構簡化，提高了對外部環境的適應性。並且非常有利於原子鐘的小型化和數位化。


圖1為85Rb的三能級系統示意圖；圖2為本發明原子鐘的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明利用的相干布居數囚禁(CPT)現象是在原子的A三能級系統中發生的，原子的A三能級系統的特點是有兩個下能級和一個相同的上能級，這兩個下能級通常是基態能級的超精細結構。但不限於基態能級的超精細結構。當用兩束相干雷射分別對準相應上下能級間隔時，即雷射頻率差剛好等於下能級頻率間隔時，所有粒子將被囚禁在下能級，電子將不會被泵浦到上能級，這就是CPT現象。進一步，CPT失諧瞬態振蕩現象是指當兩泵浦雷射頻率差不嚴格等於下能級精細結構頻率差時，粒子將不會被全部囚禁在下能級，會有部分粒子被泵浦到上能級，但這個泵浦過程在形成穩態前會有一個馳豫振蕩的瞬態過程，即上能級粒子數在兩束雷射激發後會有一個振蕩過程，經過一定時間才達到穩態。這個上能級粒子數在被雷射激發後的振蕩和衰減並趨於穩定的過程就是相干布局數囚禁的失諧瞬態振蕩現象。這個瞬態過程的馳豫振蕩的振蕩頻率嚴格等於兩個泵浦雷射頻率差與原子兩個下能級頻率間隔的差值。
當兩泵浦雷射通過具有A三能級系統的原子激發出CPT現象時，如果此時將兩雷射頻率差值在CPT下能級頻率間隔附近做線性掃描變化時，隨著兩雷射頻率差對下能級頻率間隔偏離的改變，相干布居數囚禁現象有一個逐漸減增強到峰值而後又減弱直到消失的過程，這時探測泵浦光的投射強度，將會得到一個隨兩雷射頻率差變化的透過光強譜線，即CPT譜線。在獲取原子鐘基準頻率時，兩雷射頻率差需要大於CPT譜線半寬度，其原因是當偏差小於CPT譜線半寬度時失諧瞬態振蕩信號頻率過低，乃至小于振蕩譜線線寬，因而不能得到穩定的失諧瞬態振蕩頻率。只有當這一偏差大於CPT譜線半寬度，才能夠從CPT失諧瞬態振蕩信號中探測到準確的振蕩頻率。
本發明基於上述原理，首先用疊加的直流信號和微波信號作為半導體雷射器的驅動和調製信號，產生兩個泵浦雷射，再使泵浦雷射與A三能級系統的原子作用，調整微波信號的頻率與原子A三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大於相干布居數囚禁CPT譜線半寬度，激發一個CPT失諧瞬態振蕩現象，將有一個與CPT失諧瞬態振蕩現象相同頻率的馳豫振蕩。而馳豫振蕩的頻率剛好等於用於調製雷射的微波信號頻率與原子基態兩個超精細結構頻率間隔的差值。因此將探測到的馳豫振蕩信號基頻頻率與調製雷射的微波頻率相加就可以直接得到超精細結構的頻率差，即原子鐘的基準頻率。
採用本發明，原子鐘的頻率將具有很高的穩定性。將這個穩定的頻率分頻，就可產生一般原子鐘輸出的穩定性很高的IOM，或其他所需要的穩定標準頻率。
本發明原子鐘可包括一偏置樹(Bias-T)，該偏置樹(Bias-T)的作用是將驅動電流源和微波信號源中的信號疊加，信號疊加後作為半導體雷射器的驅動和調製信號。半導體雷射器產生的兩個泵浦雷射信號可經過衰減片和X/4波片到達原子氣室，衰減片可以由偏振片組或一般光學衰減片組成，用於調整雷射的功率達到原子鐘工作所需要的強度。X/4波片用於將雷射輸出的線偏振光轉換為激發瞬態CPT現象所需要的園偏振光。原子氣室內封裝有產生CPT現象的原子蒸汽和緩衝氣體。雷射信號經過原子氣室後，由於兩個泵浦雷射頻率差值對CPT下能級頻率差的偏離，產生一CPT失諧瞬態振蕩信號，其振蕩頻率就等於微波信號源產生的信號頻率與原子基態兩個超精細結構能級躍遷頻率的差值。這一 CPT失諧瞬態振蕩信號被光電轉換器接收，轉換為電信號，再經放大器後， 一部分信號反饋回到驅動電流源，用於鎖定半導體雷射器的波長，分出另一路信號經過信號讀取轉換器，該信號讀取轉換器對周期性獲得的CPT失諧瞬態振蕩信號進行濾波和讀取分析，將信號轉換成頻率等於CPT失諧瞬態振蕩頻率的正弦波信號，該正弦波信號頻率嚴格等於微波調製信號與CPT兩個下能級，即原子基態超精細結構能級頻率間隔的差值。
上述信號讀取轉換器輸出的亦可以是頻率合成要求的其他形式的模擬或數位訊號。
驅動電流源還將產生一個(頻率小於失諧瞬態振蕩頻率)方波信號，對驅動電流進行調製，使驅動電流在在工作點和閾值以下周期性變換，從而保證泵浦雷射信號按一定周期激發CPT失諧瞬態振蕩現象。此外，驅動電流源還應有一個在驅動電流上加一個小調製信號的功能，用於半導體雷射器波長的鎖定。
微波信號源的另一路信號可經過延時系統到達混頻器，延時系統的作用是使由微波源經過調製半導體雷射器產生失諧瞬態振蕩，再經讀取轉換器到達混頻器的信號，與直接從微波源經過延時系統到達混頻器的信號有相同的時延。這樣延時系統送出的信號頻率對於原子超精細結構頻率差的偏離剛好被信號讀取轉換器輸出的信號補償，因此兩個信號頻率相加結果正好是原子基態超精細結構頻率差。即在混頻器中將微波信號源產生的經過延時系統延時的微波信號和信號讀取轉換器給出的正弦波信號相加，即獲得到原子鐘標準頻率信號。
7上述兩路信號亦可轉換成其他形式的模擬或數位訊號，只要將混頻器替換成相應的模擬信號或數字頻率合成系統，用於兩路信號頻率相加，亦可獲得以其他形式顯示的原子鐘
基準頻率。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述
本發明原子鐘可用"Rb做為工作原子氣體，其三能級如圖l所示。參考圖2，微波信號源產生一個3.035G附近的微波信號，與驅動電流源產生的周期性(如5Hz方波，但不限於5Hz)雷射器驅動電流在偏置樹(Bias-T)合成為VCSEL雷射器的驅動和調製信號，VCSEL雷射器在此驅動信號下輸出光波長應該對準上下能級的吸收峰，同時用基帶和調製產生的一個邊帶做為CPT泵浦光，在激發CPT時所用兩個泵浦雷射的頻率應該分別對準上能級和兩個下能級的躍遷頻率，而在激發CPT失諧瞬態振蕩現象時兩泵浦雷射的頻率差應對兩下能級頻率間隔有一個偏離。85111)兩下能級頻率差約為3.035G，這個設置的頻率偏離可以是100Hz-100M但不限於這個範圍。雷射波長約為795nm。雷射輸出可為每秒5次的周期性激發光。經過衰減片後光強將達到工作要求，再經過X/4波片轉換為園偏振光。通過原子氣室激發CPT瞬態振蕩現象，每次激發後光電轉換器都會獲得一列與CPT失諧瞬態振蕩信號頻率一致的馳豫振蕩光信號。這個振蕩信號的基頻就是調製雷射器的微波信號與原子兩個基態超精細結構能級頻率間隔的差值。信號將被轉換為電信號後分為兩路，一路反饋回到驅動電流源用於鎖定雷射波長。另一路進入信號讀取轉換器將CPT失諧瞬態振蕩信號取出，並轉換為幅度穩定且頻率與CPT失諧瞬態振蕩相同的正弦波信號，這一正弦信號將隨每一次接收到的振蕩信號頻率的變化而實時調整。這一信號將與被延時系統延時(當觸發周期遠大於系統時延時，延時系統可以省去)的微波信號在混頻器中相加得到原子鐘的基準頻率，它將等於原子基態超精細結構頻率差。在經過分頻後就可轉換為用戶所要求的10M但不限於10M的標準頻率。
本發明原子鐘比晶體振蕩器長期穩定性好，與傳統原子鐘相比，開闢了一條機制上不同的獲取原子鐘標準頻率的新途徑。它更適合於進行整體集成。特別有利於發展高精度微型原子鐘，並且可以進一步降低成本、減小溫度影響、簡化電子系統，提高集成度，從而製造出穩定度好、集成度高、體積微小並且成本低廉，適於大批量生產的原子鐘，具有高精度、低功耗、體積微小、價格低廉的特點。它的出現將會對相關領域，相關技術的發展產生意義重大的深遠的影響。此類原子鐘將可以做為衛星定位終端、高精度計算機、精密導航系統等的時間基準，亦可用於通信網絡、自動控制系統同步等等方面。成為廣泛應用於民用和軍用設備、設施的時間和頻率標準。使相關儀器、裝置、設施等等的計時、同步和定位精度大大提高，從而為這些相關領域的技術進步和高速發展提供關鍵的技術支持和保證。
以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的範圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其製備方法也不限於實施例中所公開的內容。
權利要求
1、一種原子鐘基準頻率的獲取方法，其步驟包括1)用驅動電流源驅動半導體雷射器，該半導體雷射器同時受微波信號調製，產生兩個頻率差等於上述微波信號頻率的泵浦雷射；2)上述兩個泵浦雷射與具有Λ三能級系統的原子作用，所述微波信號的頻率與原子Λ三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大於相干布居數囚禁譜線半寬度，產生一個與相干布居數囚禁失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；3)將上述馳豫振蕩信號的頻率與上述調製半導體雷射器的微波信號的頻率相加，得到原子鐘的標準頻率。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，驅動電流源產生一個方波信號，對驅動 電流進行調製，驅動電流在工作點和閾值以下周期性變換，使泵浦雷射按一定周期激發相 幹布居數囚禁失諧瞬態振蕩。
3、 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，方波信號的頻率小於相干布居數囚禁失 諧瞬態振蕩頻率。
4、 一種原子鐘，包括 一微波信號源，用於產生微波信號； 一驅動電流源，用於產生半導體雷射器的驅動電流； 一偏置樹Bias-T，用於驅動電流信號和微波信號疊加；一半導體雷射器，上述疊加後信號作為該雷射器的驅動和調製信號，產生兩個頻率差 等於上述微波信號頻率的泵浦雷射；一原子氣室，具有A三能級系統的原子蒸汽置於該氣室內，上述兩個泵浦雷射與具有A 三能級系統的原子作用，產生一個與相干布居數囚禁失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號一光電轉換器，用於對上述馳豫振蕩信號進行光電轉換；轉換後的信號一路反饋到驅 動電流源，用於鎖定半導體雷射器的工作波長，另一路信號經過一信號讀取轉換器，轉換成頻率相同的正弦波信號；一混頻器，用於上述正弦波信號和調製半導體雷射器的微波信號相加，獲得原子鐘標 準頻率信號。
5、 如權利要求4所述的原子鐘，其特徵在於，所述半導體雷射器產生的泵浦雷射信 號經過一衰減片，該衰減片用於調整雷射信號的功率達到原子鐘工作所需要的強度。
6、 如權利要求4或5所述的原子鐘，其特徵在於，所述半導體雷射器產生的泵浦雷射信號經過一AV4波片，該X/4波片用於將雷射信號輸出的線偏振光轉換為激發相干布居數 囚禁所需要的園偏振光。
7、 如權利要求4或5所述的原子鐘，其特徵在於，所述微波信號源的微波信號通過 一延時系統進入混頻器，該延時系統使經過半導體雷射器、光電轉換器和信號讀取轉換器 到達混頻器的信號和直接從微波源到達混頻器的信號有相同的時延。
8、 如權利要求5所述的原子鐘，其特徵在於，所述衰減片由偏振片組或光學衰減片 構成。
全文摘要
本發明公開了一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘，該方法包括用驅動電流源驅動半導體雷射器，該半導體雷射器同時受微波信號調製，可產生兩個頻率差與微波信號調製頻率相等的泵浦雷射，這兩個泵浦雷射與具有Λ三能級系統的原子作用，當微波信號的頻率與原子Λ三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大於相干布居數囚禁(CPT)譜線半寬度時，則產生一個與CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；將馳豫振蕩信號的頻率與微波信號的調製頻率相加，即可得到原子鐘的標準頻率。按照上述方法設計的原子鐘結構簡單，省去了傳統原子鐘的鎖定電路，提高了對外部環境的適應性。
文檔編號H03L7/26GK101488753SQ200910078110
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月17日 優先權日2009年2月17日
發明者中 汪, 科 鄧, 濤 郭, 陳徐宗 申請人:北京大學