基於自混合幹涉的原子頻率捕獲設備的製作方法

2023-05-20 04:43:56

專利名稱：基於自混合幹涉的原子頻率捕獲設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及原子頻率捕獲設備，至少包括利用原子氣體填充的氣室，所述原子 氣體具有允許相干布居俘獲(coherent population trapping)的第一和第二能源過渡 (energy transition)；和具有雷射腔的雷射光源，其發射雷射束，所述雷射束進入氣室並 激發原子氣體的第一能源過渡。原子頻率捕獲設備通常被用作為許多應用提供時間基準的原子鐘。隨著電子設備 的持續小型化，也需要在諸如GPS接收器的可攜式電池供電設備中允許例如高精度定時的 小型化的原子鐘。
背景技術：
相干布居俘獲是在原子鐘中用於獲取原子頻率作為穩定時基的一種技術。例如， 這樣的原子頻率捕獲設備或原子鐘包括小型化的氣室，該氣室包含諸如Cs或Rb之類的金 屬蒸汽。通常，這個氣室保持在大約100°C的溫度上，以實現特定的氣體壓力。在適合相應 原子中的光躍遷的波長上發射的雷射器被安排為將雷射束引導到利用相應的原子氣體填 充的氣室內，例如，對於Cs來說，所述波長為852nm。同時，利用在某一頻率上運行的穩定的 電子振蕩器來調製雷射輻射，其中該頻率適合相應原子的超精細躍遷的一半，例如，對於Cs 分裂的一半來說，該頻率為4. 6GHz。這個頻率被用作原子鐘的時基。檢測光電二極體測量 雷射束在經過該(氣)室之後的衰減。基於在目標頻率上顯示最小值的光電二極體信號，電 子電路將電子振蕩器調節到原子超精細躍遷的頻率。這個最小值是由於相干布居俘獲而引 起的，而相干布居俘獲涉及(小)部分的原子變為被困在形成超精細躍遷的兩個基態的相干 疊加中的事實，這由於這些基態到光激發態的光躍遷的躍遷概率幅度之間的破壞性幹涉而 不吸收光。D. K. Serkland 等人在 http://www. sandia. gov 上的"VCSELs for Atomic Clocks」描述了對於依靠這樣的相干布居俘獲的原子鐘的VCSEL (VCSEL 垂直腔表面發射 雷射器)的使用。在這個文獻中也解釋了這種技術的物理背景。Serkland等人使用被填充 有Cs的氣室，其中利用在852nm的波長上發射的VCSEL來激發Cs。在4. 6GHz上對雷射器 輸出進行頻率調製，由此從352THz (852nm)的載波光頻中獲得在+/-4. 6GHz上的頻率調製 邊帶。雷射束在通過該氣室之後的功率利用被安排在該氣室的相對側上的光電二極體來測 量。當經調製的VCSEL被調諧到大約IGHz寬吸收共振並且調製頻率在4. 6GHz的附近被調 諧時，在正好是9. 2GHz超精細頻率的一半上觀察到所發射的光功率的窄增加。用於生成 4. 6GHz調製的本地振蕩器被鎖定到這個窄共振，產生正好是Cs基態超精細分裂的一半的 頻率。

發明內容
本發明的目的是提供一種原子頻率捕獲設備，其能夠被用作原子鐘，並且與現有 技術的系統相比，其允許進一步的小型化和成本降低。3
該目的利用如在權利要求1中所定義的原子頻率捕獲設備來實現。這個設備的有 利實施例是從屬權利要求的主題，或在說明書的後續部分中進行描述。所提議的原子頻率捕獲設備至少包括氣室，其填充有原子氣體，所述原子氣體具有允許相干布居俘獲的第一和第二能源過 渡，所述第一和第二能源過渡對應於第一和第二躍遷頻率；具有雷射腔的雷射光源，其發射雷射束，所述雷射束進入氣室並激發原子氣體的第一 能源過渡；本地振蕩器，其適於在包括原子氣體的第二躍遷頻率的一半的頻率範圍中生成振蕩器 頻率；調製器，其調製所述雷射光源，以便發射利用振蕩器頻率調製的雷射輻射； 光反射器，其被安排成在經過原子氣體之後反射雷射束，以便重新進入雷射腔，所述重 新進入的雷射束在雷射腔中引起自混合效應，由此以所發射的雷射輻射的強度產生拍頻； 光電探測器，其被安排成檢測拍頻；和控制單元，其連接到光電探測器和本地振蕩器，並控制本地振蕩器，以便在兩個頻率裕 度(margin)之間周期性地改變振蕩頻率，這兩個頻率裕度以這樣的方式進行適配，使得光 電探測器的輸出信號中的最大拍頻處於這兩個頻率裕度之內。當振蕩器被調諧至第二躍遷頻率的一半時，正好達到最大SMI拍頻。因此，這個最 大拍頻能夠用於將振蕩器鎖定到這個躍遷頻率，而對於進一步的應用，這個躍遷頻率隨後 被用作時基。這種自混合幹涉技術使之有可能將具有集成的光電二極體的VCSEL用作雷射 器和檢測設備。這使得光學機械設置更加緊湊，這是因為雷射器和檢測器被集成並且僅被 安排在氣室的同一側上。在這種情況下，整個設備或原子鐘只包括具有集成的光電二極體 (VIP)的VCSEL、氣室以及形成本地振蕩器和控制單元的適當的ASIC。因此，極端小型化和 成本降低變為可能。此外，基於使用自混合幹涉的檢測原理，僅測量頻率而非振幅。這能夠 更容易地完成，並且與現有技術中的解決方案相比，這具有較少的檢測問題。在這種情況 下，測量信號可能是相當強的，並且完全不受非源於雷射器本身的任何其他輻射的幹擾，而 且能夠被測量為在kHz到MHz範圍中的相對低頻信號，這與現有技術中所描述的DC振幅測 量相比是更可取的。能夠如下理解所提議設備的檢測原理。在雷射光源與給出反饋的光反射器或反射 鏡之間安排利用原子氣體填充的氣室，例如，所述原子氣體可以是Rb或Cs蒸汽。因為任何 的四分之一波長的變化已引起反饋信號的變化，所以這種反饋對於反饋路徑的光學長度是 非常敏感的。在將光反射器與雷射光源之間的距離保持在恆定的幾何長度上時，如果之間 的折射率在改變，則光學長度改變。氣體的折射率取決于波長。尤其在接近於共振躍遷時， 折射率達到非常高的值，並且隨著波長快速地改變。在所提議的原子頻率捕獲設備的設置中，光學吸收的強度不僅取決于波長，而且 還取決於調製頻率與第二躍遷頻率的一半的完美匹配，其中第二躍遷頻率的一半在諸如Cs 或Rb之類的金屬蒸汽的情況中是HFS (超精細分裂)躍遷的一半。如果本地振蕩器的頻率 略微偏離預期的頻率，那麼折射率改變，並且光電探測器測量與光反射器和雷射光源之間 的距離的變化相類似的信號。這樣的測量原理不同於以具有集成的或附加的光電探測器的 VCSEL為基礎的SMI傳感器(SMI 自混合幹涉)。
與這樣的SMI傳感器的共同使用相比，其在原子頻率捕獲設備中的使用由於極其 複雜而使得檢測更加困難。通常，通過產生雷射波長調製的雷射電流的調製來測量在光反 射器與雷射光源之間的外距。然而，Cs或Rb躍遷的譜寬度是如此之小，以致於雷射器必須 正好操作在正確的波長上。這是非常難以實現的，因此在這裡不能應用這種方法。雷射器 與光反射器之間的外距的變化也被稱為外部光腔長度，其也能夠作為光反射器的移動來觀 察。但是，需要速度測量的這種移動為了達到對於原子鐘所預期的精度而將不得不以極限 準確度來控制。即使振蕩器極其緩慢地移位，該時鐘也將顯示長期離開(walk-off)。所應 用的技術應允許正確檢測HFS躍遷最大值，而不僅僅是變化的正確檢測。這既不能藉助於 波長掃描來完成，也不能藉助於移動檢測來實現。為了避免上面的複雜化，所提議設備的控制單元被設計成允許以下的檢測方法。 雷射光源正運行在恆定波長上，即，正運行在所使用的原子、特別地Rb或Cs的第一(光)能 源過渡的波長上。應指出，雷射器的譜寬度遠小於第一能源過渡的譜寬度。因此，雷射波長 的小變化仍被允許。雷射功率利用本地振蕩器的頻率例如4. 6GHz來調製。必須確保任何 的波長變化保持為足夠小。這似乎由於高調製頻率而被準許。此外，功率調製深度可以限 於絕對功率的小部分，以確保這種狀況。本地振蕩器並沒有真正地運行在固定頻率上，而是例如在4. 6GHz上利用大約 2(T50kHz的頻率變化被緩慢地頻率調製。這導致更強和更弱的HFS躍遷，並因此導致光學 外腔長度的變化。這種變化在HFS最大值的周圍、即在將被捕獲的預期頻率的周圍是最強 的。在光學外腔長度的最強變化上，SMI拍頻是最高的。因此，對於所測量的SMI拍頻 的最大值和對於所希望的最佳HFS頻率的最大值相重合，以致通過僅尋找最大拍頻來發現 HFS躍遷頻率。這種測量由於其並不取決於絕對振幅而是相當明確的。自混合效應以周期 方式引起雷射光源的輸出功率的變化，而這種變化利用光電探測器來測量。光電探測器的 輸出信號因此包括被提供給頻率檢測電路的拍頻信號，即，這個輸出中適時間隔開的峰值， 其中頻率檢測電路確定拍頻信號的頻率，即，每兩個峰值之間的反(比)時(間)。另外，能夠 直接地(例如，通過鎖相環電路)測量拍頻信號的相位，這在緩慢變化的情況中是有利的。在所提議設備的一個實施例中，控制單元被設計成以這樣一種方式來調節振蕩器 的調製頻率範圍，使得所預期的HFS頻率始終處於調製範圍的中心，即，被連續適配的這種 調製的兩個裕度頻率之間的中心。振蕩器在太高頻率上運行的時間間隔因而正好被具有太 低頻率的時段抵銷。利用這種措施，實現非常好的設備的長期精度。從上面的描述中可以清楚的是氣室並不限於任何特殊的設計或尺寸。這個氣室 只需能夠將原子氣體保持在預期的溫度和/或壓力上，這可以利用依附於該氣室的附加的 加熱元件來實現。此外，該氣室必須允許雷射束沿著至少一條路徑經過。光反射器、特別地 用於雷射束的波長的合適的反射鏡可以直接依附於該氣室，或與該氣室間隔開。此外，這樣 的反射鏡也可以在該氣室內形成，或作為該氣室的壁之一的層來形成。雷射輸出的調製優 選地通過調製雷射光源的工作電流來實現，但是並不局限於這樣的調製模式。


現在將參考附圖、利用示例來描述所提議的原子頻率捕獲設備，而不限制如利用權利要求書所定義的保護範圍。在附圖中，圖1是原子頻率捕獲設備的一個實施例的示意布置圖；和 圖2顯示闡明所提議設備的操作原理的三個圖表。
具體實施例方式圖1是所提議的原子頻率捕獲設備或原子鐘的一個示例的示意布置圖。雷射驅動 器600向VCSEL 100提供工作電流，該VCSEL朝著準直透鏡300發射雷射束。該雷射束經 過氣室400，其中該氣室被保持在例如60°C與100°C之間的高溫上，以維持所填充的鹼金屬 的適當壓力，其中在當前示例中該鹼金屬是Cs。溫度可以藉助於包括溫度測量與反饋環路 (未顯示)的小型加熱元件來控制。這樣的氣室在原子鐘的領域中是公知的。反射鏡500被安排在氣室400的後面，以便朝著它自身反向反射準直的雷射束。 為了調節所希望的反饋，應適當地例如利用10%的反射率來設計反射鏡500的反射率。此 外，也推薦在雷射器100前面的附加的衰減器，以確保在雷射腔內最佳的自混合效果。所有 其他的光學表面優選地提供有抗反射(AR)塗層。反饋由於自混合而影響雷射器的光功率。 這個雷射功率由光電二極體200來監視，其中該光電二極體測量通過在雷射器的這一側上 的底部DBR (DBR 分布式布拉格反射器)洩露的雷射輻射的量。優選地，如在執行自混合幹 涉的VCSEL的領域中所公知的，光電二極體200與VCSEL單片集成。該光電二極體也可以 直接地被集成在底部DBR中。來自光電二極體200的電信號在放大器900中被放大，並在譜分析儀800中被分 析。基於該分析，譜分析儀800提供由於自混合幹涉而引起的拍頻。在控制電路750中分 析這個拍頻，其中該控制電路也以這樣的方式來設置本地振蕩器700的頻率調製，使得最 大拍頻正好在調製間隔的中心。振蕩器700生成與所使用的鹼金屬中的HFS躍遷相匹配的 例如4. 6GHz的高頻。這個頻率被用作時鐘的時基，其通過時鐘埠 710被提供給相應的應 用。該高頻也被用於幅度調製該雷射器的電源600。調製深度必須被設計，以便將雷射器的 任何波長調製保持為遠小於該雷射器的線寬。在圖2中闡明操作原理。振蕩器700由控制電路750進行頻率調製。圖2中的頂 部圖表顯示三角頻率調製Δν的示例。中間圖表顯示雷射束在金屬蒸汽中的吸收。它在振 蕩器頻率正好與HFS躍遷相匹配時展現出最小值。下部圖表顯示折射率dn/dt的變化，其 與光學外腔長度的變化相對應，並因此與拍頻相對應。最大拍頻與HFS躍遷相符。在圖2的上部圖表中的水平虛線闡明能夠以這樣的方式來選擇調製Δ v，使得在 這條線之上和之下的區域是相等的，並因此該時鐘過快和過慢工作相等的時間量。其中裕 度頻率被連續地調節的這種調節由控制單元750來執行。利用這種措施，預期的原子頻率 總是處於本地振蕩器的調製範圍的中心。本地振蕩器被穩定至的這個中心振蕩頻率被用作 原子鐘的標準信號。雖然在附圖和以上的描述中已闡明和描述了本發明，但是這樣的闡明和描述將被 認為是說明性的，或者作為示例而非限制。本發明並不限於所公開的實施例。如上所述的 並在權利要求書中所定義的不同實施例也能夠進行組合。在實踐所要求保護的發明的過程 中，通過研究附圖、公開內容以及所附的權利要求書，本領域技術人員可以理解並實施所公 開的實施例的其他變體。例如，本發明並不限於VCSEL的使用。VECSEL (垂直擴展腔表面發射雷射器)也可以利用相同的方式被用作雷射光源。如果不需要小型化，在該設備中也可 以使用其他的雷射光源。在權利要求書中，動詞「包括」及其動詞變化形式的使用並不排除其他的部件或步 驟，並且不定冠詞「一」或「一個」並不排除多個。在互不相同的從屬權利要求中敘述措施 的純粹事實並不表明不能有利地使用這些措施的組合。權利要求書中的參考符號不應被解 釋為限制這些權利要求的範圍。參考符號的列表100VCSEL200光電二極體300準直透鏡400氣室500反射鏡600雷射驅動器700本地振蕩器710時鐘埠750控制電路800譜分析儀900放大器
權利要求
1.一種原子頻率捕獲設備，至少包括氣室(400)，其利用原子氣體來填充，所述原子氣體具有允許相干布居俘獲的第一和第 二能源過渡，所述第一和第二能源過渡對應於第一和第二躍遷頻率；具有雷射腔的雷射光源(100)，其發射雷射束，所述雷射束進入氣室(400)並激發所述 原子氣體的第一能源過渡；本地振蕩器(700)，其適於在包括原子氣體的第二躍遷頻率的一半的頻率範圍中生成 振蕩器頻率；調製器(600)，其調製所述雷射光源(100)，以便發射利用振蕩器頻率調製的雷射輻射；光反射器(500)，其被安排成在經過原子氣體之後反射雷射束，以便重新進入雷射腔， 所述重新進入的雷射束在雷射腔中引起自混合效應，從而以所發射的雷射輻射的強度產生 拍頻；光電探測器(200)，其被安排成檢測所述拍頻；以及控制單元(750，800)，其連接到光電探測器(200)和本地振蕩器(700)，並控制本地振 蕩器(700)，以便在兩個頻率裕度之間周期性地改變振蕩頻率，所述兩個頻率裕度以這樣的 方式進行適配，使得在光電探測器(200)的輸出信號中的最大拍頻處於所述兩個頻率裕度 之內。
2.根據權利要求1的設備，其中控制單元(750，800)被設計成以這樣的方式來適配所述兩個頻率裕度，使得在所 述光電探測器(200)的輸出信號中的最大拍頻始終處於所述兩個頻率裕度之間的中心。
3.根據權利要求1的設備，其中控制單元(750，800)被設計成利用在IkHz與IOOkHz之間的調製頻率來周期性地 改變振蕩頻率。
4.根據權利要求1或2的設備，其中所述雷射光源(100 )是VCSEL。
5.根據權利要求4的設備，其中所述光電探測器(200)與所述VCSEL單片集成。
6.根據權利要求5的設備，其中所述調製器(600)被設計成調製所述雷射光源(100)的工作電流。
7.根據權利要求1的設備，其中控制單元(750，800)包括用於控制本地振蕩器(700)的控制電路(750)；以及用 於確定在所述光電探測器(200)的輸出信號中的拍頻的譜分析儀(800)。
全文摘要
本發明涉及一種原子頻率捕獲設備，其包括填充有原子氣體的氣室(400)；雷射光源(100)，其發射雷射束，所述雷射束進入氣室(40)並激發原子氣體的第一能源過渡；本地振蕩器(700)，用於在包括原子氣體的HFS躍遷頻率的頻率範圍中生成振蕩器頻率；和調製器(600)，其調製雷射光源(100)，以便發射利用振蕩器頻率調製的雷射輻射。光反射器(600)被安排在氣室(400)的後面，以便將雷射束在經過原子氣體之後進行反射，從而重新進入雷射腔。光電探測器(200)檢測雷射腔內由於自混合幹涉所引起的拍頻。控制單元(750，800)對本地振蕩器(700)進行控制，以便在兩個頻率裕度之間周期性改變振蕩頻率，其中這兩個頻率裕度以這樣的方式進行適配，使得光電探測器(200)的輸出信號中的最大拍頻處於這兩個頻率裕度之內。所提議的設備通過使用具有集成的光電二極體的VCSEL而允許小型化和成本降低，並實現具有較少檢測問題的操作。
文檔編號G04F5/14GK102057337SQ200980120566
公開日2011年5月11日 申請日期2009年5月27日 優先權日2008年6月5日
發明者H·M·門希 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司