CN101488753A - 一种原子钟基准频率的获取方法及原子钟 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子钟基准频率的获取方法及原子钟，该方法包括：用驱动电流源驱动半导体激光器，该半导体激光器同时受微波信号调制，可产生两个频率差与微波信号调制频率相等的泵浦激光，这两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，当微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁(CPT)谱线半宽度时，则产生一个与CPT失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号；将驰豫振荡信号的频率与微波信号的调制频率相加，即可得到原子钟的标准频率。按照上述方法设计的原子钟结构简单，省去了传统原子钟的锁定电路，提高了对外部环境的适应性。

Description

一种原子钟基准频率的获取方法及原子钟
技术领域
本发明是关于原子钟的设计方法，具体涉及一种原子钟基准频率的获取方法及原子钟。
背景技术
传统原子钟的原理是，探测原子能级的参考谱线，并将原子钟输出的频率与参考谱线锁定，从而得到稳定的原子钟频率。具体讲，是以原子某个能级的跃迁吸收或发射的频率谱线为基准(由于它具有相对较高的稳定性)，用锁相电路或类似技术将一个微波信号或光频信号与这一跃迁频率的中心锁定，从而获得一个与原子跃迁频率接近一致的频率输出，作为原子钟的基准频率，而后在经过频率变换使其输出一个相对稳定的特定频率信号。因此，传统原子钟的的重要部分就是输出频率与参考谱线的锁定，锁定电路要求很高，而且容易产生不稳因素。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种原子钟基准频率的获取方法，利用该方法无需对原子钟的调制频率进行锁定，使得原子钟的结构简化，提高了外部环境的适应性。
本发明的技术方案是：
一种原子钟基准频率的获取方法，其步骤包括：
1)用驱动电流源驱动半导体激光器，该半导体激光器同时受微波信号调制，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光；
2)上述两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，所述微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁(CPT)谱线半宽度，产生一个与CPT失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号；
3)将上述驰豫振荡信号的频率与上述调制半导体激光器的微波信号的频率相加，得到原子钟的标准频率。
驱动电流源产生一个方波信号，对驱动电流进行调制，驱动电流在工作点和阈值以下周期性变换，使泵浦激光按一定周期激发CPT失谐瞬态振荡。该方波信号的频率小于CPT失谐瞬态振荡频率。
一种原子钟，包括：
一微波信号源，用于产生微波信号；
一驱动电流源，用于产生半导体激光器的驱动电流；
一偏置树Bias-T，用于驱动电流信号和微波信号叠加；
一半导体激光器，上述叠加后信号作为该激光器的驱动和调制信号，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光；
一原子气室，具有Λ三能级系统的原子蒸汽置于该气室内，上述两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，产生一个与CPT失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号，
一光电转换器，用于对上述驰豫振荡信号进行光电转换；转换后的信号一路反馈到驱动电流源，用于锁定半导体激光器的工作波长，另一路信号经过一信号读取转换器，转换成频率相同的正弦波信号；
一混频器，用于上述正弦波信号和调制半导体激光器的微波信号相加，获得原子钟标准频率信号。
所述半导体激光器产生的泵浦激光信号经过一衰减片，该衰减片用于调整激光信号的功率达到原子钟工作所需要的强度，所述衰减片可由偏振片组或光学衰减片构成。
所述半导体激光器产生的泵浦激光信号经过一λ/4波片，该λ/4波片用于将激光信号输出的线偏振光转换为激发CPT所需要的园偏振光。
所述微波信号源的微波信号通过一延时系统进入混频器，该延时系统使经过半导体激光器、光电转换器和信号读取转换器到达混频器的信号和直接从微波源到达混频器的信号有相同的时延。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用相干布居数囚禁(CPT)失谐瞬态振荡现象，即当微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁CPT谱线半宽度时，可产生一个与相干布居数囚禁CPT失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号，该CPT失谐瞬态振荡的频率等于两泵浦激光频率差与原子基态两个超精细结构频率间隔的差值。本发明将探测到的驰豫振荡信号频率与调制激光的微波频率相加直接得到超精细结构的频率差，从而获得原子钟的基准频率。本发明将不需要对调制频率进行锁定，因为一旦微波频率漂移，它与原子基态两个超精细结构频率间隔的差值会改变，与这一差值相等的驰豫振荡的频率也会有相应的改变。将调制信号与探测到的驰豫振荡频率相加时，频率的漂移会被探测到的CPT失谐瞬态振荡频率的改变所补偿，从而省去了传统原子钟的锁定电路部分。这就使得原子钟的结构简化，提高了对外部环境的适应性。并且非常有利于原子钟的小型化和数字化。
附图说明
图1为85Rb的三能级系统示意图；
图2为本发明原子钟的结构示意图。
具体实施方式
本发明利用的相干布居数囚禁(CPT)现象是在原子的Λ三能级系统中发生的，原子的Λ三能级系统的特点是有两个下能级和一个相同的上能级，这两个下能级通常是基态能级的超精细结构。但不限于基态能级的超精细结构。当用两束相干激光分别对准相应上下能级间隔时，即激光频率差刚好等于下能级频率间隔时，所有粒子将被囚禁在下能级，电子将不会被泵浦到上能级，这就是CPT现象。进一步，CPT失谐瞬态振荡现象是指：当两泵浦激光频率差不严格等于下能级精细结构频率差时，粒子将不会被全部囚禁在下能级，会有部分粒子被泵浦到上能级，但这个泵浦过程在形成稳态前会有一个驰豫振荡的瞬态过程，即上能级粒子数在两束激光激发后会有一个振荡过程，经过一定时间才达到稳态。这个上能级粒子数在被激光激发后的振荡和衰减并趋于稳定的过程就是相干布局数囚禁的失谐瞬态振荡现象。这个瞬态过程的驰豫振荡的振荡频率严格等于两个泵浦激光频率差与原子两个下能级频率间隔的差值。
当两泵浦激光通过具有Λ三能级系统的原子激发出CPT现象时，如果此时将两激光频率差值在CPT下能级频率间隔附近做线性扫描变化时，随着两激光频率差对下能级频率间隔偏离的改变，相干布居数囚禁现象有一个逐渐减增强到峰值而后又减弱直到消失的过程，这时探测泵浦光的投射强度，将会得到一个随两激光频率差变化的透过光强谱线，即CPT谱线。在获取原子钟基准频率时，两激光频率差需要大于CPT谱线半宽度，其原因是当偏差小于CPT谱线半宽度时失谐瞬态振荡信号频率过低，乃至小于振荡谱线线宽，因而不能得到稳定的失谐瞬态振荡频率。只有当这一偏差大于CPT谱线半宽度，才能够从CPT失谐瞬态振荡信号中探测到准确的振荡频率。
本发明基于上述原理，首先用叠加的直流信号和微波信号作为半导体激光器的驱动和调制信号，产生两个泵浦激光，再使泵浦激光与Λ三能级系统的原子作用，调整微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁CPT谱线半宽度，激发一个CPT失谐瞬态振荡现象，将有一个与CPT失谐瞬态振荡现象相同频率的驰豫振荡。而驰豫振荡的频率刚好等于用于调制激光的微波信号频率与原子基态两个超精细结构频率间隔的差值。因此将探测到的驰豫振荡信号基频频率与调制激光的微波频率相加就可以直接得到超精细结构的频率差，即原子钟的基准频率。
采用本发明，原子钟的频率将具有很高的稳定性。将这个稳定的频率分频，就可产生一般原子钟输出的稳定性很高的10M，或其他所需要的稳定标准频率。
本发明原子钟可包括一偏置树(Bias-T)，该偏置树(Bias-T)的作用是将驱动电流源和微波信号源中的信号叠加，信号叠加后作为半导体激光器的驱动和调制信号。半导体激光器产生的两个泵浦激光信号可经过衰减片和λ/4波片到达原子气室，衰减片可以由偏振片组或一般光学衰减片组成，用于调整激光的功率达到原子钟工作所需要的强度。λ/4波片用于将激光输出的线偏振光转换为激发瞬态CPT现象所需要的园偏振光。原子气室内封装有产生CPT现象的原子蒸汽和缓冲气体。激光信号经过原子气室后，由于两个泵浦激光频率差值对CPT下能级频率差的偏离，产生一CPT失谐瞬态振荡信号，其振荡频率就等于微波信号源产生的信号频率与原子基态两个超精细结构能级跃迁频率的差值。这一CPT失谐瞬态振荡信号被光电转换器接收，转换为电信号，再经放大器后，一部分信号反馈回到驱动电流源，用于锁定半导体激光器的波长，分出另一路信号经过信号读取转换器，该信号读取转换器对周期性获得的CPT失谐瞬态振荡信号进行滤波和读取分析，将信号转换成频率等于CPT失谐瞬态振荡频率的正弦波信号，该正弦波信号频率严格等于微波调制信号与CPT两个下能级，即原子基态超精细结构能级频率间隔的差值。
上述信号读取转换器输出的亦可以是频率合成要求的其他形式的模拟或数字信号。
驱动电流源还将产生一个(频率小于失谐瞬态振荡频率)方波信号，对驱动电流进行调制，使驱动电流在在工作点和阈值以下周期性变换，从而保证泵浦激光信号按一定周期激发CPT失谐瞬态振荡现象。此外，驱动电流源还应有一个在驱动电流上加一个小调制信号的功能，用于半导体激光器波长的锁定。
微波信号源的另一路信号可经过延时系统到达混频器，延时系统的作用是使由微波源经过调制半导体激光器产生失谐瞬态振荡，再经读取转换器到达混频器的信号，与直接从微波源经过延时系统到达混频器的信号有相同的时延。这样延时系统送出的信号频率对于原子超精细结构频率差的偏离刚好被信号读取转换器输出的信号补偿，因此两个信号频率相加结果正好是原子基态超精细结构频率差。即在混频器中将微波信号源产生的经过延时系统延时的微波信号和信号读取转换器给出的正弦波信号相加，即获得到原子钟标准频率信号。
上述两路信号亦可转换成其他形式的模拟或数字信号，只要将混频器替换成相应的模拟信号或数字频率合成系统，用于两路信号频率相加，亦可获得以其他形式显示的原子钟基准频率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明原子钟可用85Rb做为工作原子气体，其三能级如图1所示。参考图2，微波信号源产生一个3.035G附近的微波信号，与驱动电流源产生的周期性(如5Hz方波，但不限于5Hz)激光器驱动电流在偏置树(Bias-T)合成为VCSEL激光器的驱动和调制信号，VCSEL激光器在此驱动信号下输出光波长应该对准上下能级的吸收峰，同时用基带和调制产生的一个边带做为CPT泵浦光，在激发CPT时所用两个泵浦激光的频率应该分别对准上能级和两个下能级的跃迁频率，而在激发CPT失谐瞬态振荡现象时两泵浦激光的频率差应对两下能级频率间隔有一个偏离。85Rb两下能级频率差约为3.035G，这个设置的频率偏离可以是100Hz-100M但不限于这个范围。激光波长约为795nm。激光输出可为每秒5次的周期性激发光。经过衰减片后光强将达到工作要求，再经过λ/4波片转换为园偏振光。通过原子气室激发CPT瞬态振荡现象，每次激发后光电转换器都会获得一列与CPT失谐瞬态振荡信号频率一致的驰豫振荡光信号。这个振荡信号的基频就是调制激光器的微波信号与原子两个基态超精细结构能级频率间隔的差值。信号将被转换为电信号后分为两路，一路反馈回到驱动电流源用于锁定激光波长。另一路进入信号读取转换器将CPT失谐瞬态振荡信号取出，并转换为幅度稳定且频率与CPT失谐瞬态振荡相同的正弦波信号，这一正弦信号将随每一次接收到的振荡信号频率的变化而实时调整。这一信号将与被延时系统延时(当触发周期远大于系统时延时，延时系统可以省去)的微波信号在混频器中相加得到原子钟的基准频率，它将等于原子基态超精细结构频率差。在经过分频后就可转换为用户所要求的10M但不限于10M的标准频率。
本发明原子钟比晶体振荡器长期稳定性好，与传统原子钟相比，开辟了一条机制上不同的获取原子钟标准频率的新途径。它更适合于进行整体集成。特别有利于发展高精度微型原子钟，并且可以进一步降低成本、减小温度影响、简化电子系统，提高集成度，从而制造出稳定度好、集成度高、体积微小并且成本低廉，适于大批量生产的原子钟，具有高精度、低功耗、体积微小、价格低廉的特点。它的出现将会对相关领域，相关技术的发展产生意义重大的深远的影响。此类原子钟将可以做为卫星定位终端、高精度计算机、精密导航系统等的时间基准，亦可用于通信网络、自动控制系统同步等等方面。成为广泛应用于民用和军用设备、设施的时间和频率标准。使相关仪器、装置、设施等等的计时、同步和定位精度大大提高，从而为这些相关领域的技术进步和高速发展提供关键的技术支持和保证。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的一种原子钟基准频率的获取方法及原子钟，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (8)

1、一种原子钟基准频率的获取方法，其步骤包括：
1)用驱动电流源驱动半导体激光器，该半导体激光器同时受微波信号调制，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光；
2)上述两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，所述微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁谱线半宽度，产生一个与相干布居数囚禁失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号；
3)将上述驰豫振荡信号的频率与上述调制半导体激光器的微波信号的频率相加，得到原子钟的标准频率。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，驱动电流源产生一个方波信号，对驱动电流进行调制，驱动电流在工作点和阈值以下周期性变换，使泵浦激光按一定周期激发相干布居数囚禁失谐瞬态振荡。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，方波信号的频率小于相干布居数囚禁失谐瞬态振荡频率。
4、一种原子钟，包括：
一微波信号源，用于产生微波信号；
一驱动电流源，用于产生半导体激光器的驱动电流；
一偏置树Bias-T，用于驱动电流信号和微波信号叠加；
一半导体激光器，上述叠加后信号作为该激光器的驱动和调制信号，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光；
一原子气室，具有Λ三能级系统的原子蒸汽置于该气室内，上述两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，产生一个与相干布居数囚禁失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号，
一光电转换器，用于对上述驰豫振荡信号进行光电转换；转换后的信号一路反馈到驱动电流源，用于锁定半导体激光器的工作波长，另一路信号经过一信号读取转换器，转换成频率相同的正弦波信号；
一混频器，用于上述正弦波信号和调制半导体激光器的微波信号相加，获得原子钟标准频率信号。
5、如权利要求4所述的原子钟，其特征在于，所述半导体激光器产生的泵浦激光信号经过一衰减片，该衰减片用于调整激光信号的功率达到原子钟工作所需要的强度。
6、如权利要求4或5所述的原子钟，其特征在于，所述半导体激光器产生的泵浦激光信号经过一λ/4波片，该λ/4波片用于将激光信号输出的线偏振光转换为激发相干布居数囚禁所需要的园偏振光。
7、如权利要求4或5所述的原子钟，其特征在于，所述微波信号源的微波信号通过一延时系统进入混频器，该延时系统使经过半导体激光器、光电转换器和信号读取转换器到达混频器的信号和直接从微波源到达混频器的信号有相同的时延。
8、如权利要求5所述的原子钟，其特征在于，所述衰减片由偏振片组或光学衰减片构成。
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