CN102057337B

CN102057337B - 基于自混合干涉的原子频率捕获设备

Info

Publication number: CN102057337B
Application number: CN2009801205665A
Authority: CN
Inventors: H·M·门希
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: US8264284B2; JP2011523787A; CN102057337A; US20110075692A1; EP2288968B1; WO2009147583A1; EP2288968A1

Abstract

本发明涉及一种原子频率捕获设备，其包括：填充有原子气体的气室（400）；激光光源（100），其发射激光束，所述激光束进入气室（40）并激发原子气体的第一能源过渡；本地振荡器（700），用于在包括原子气体的HFS跃迁频率的频率范围中生成振荡器频率；和调制器（600），其调制激光光源（100），以便发射利用振荡器频率调制的激光辐射。光反射器（600）被安排在气室（400）的后面，以便将激光束在经过原子气体之后进行反射，从而重新进入激光腔。光电探测器（200）检测激光腔内由于自混合干涉所引起的拍频。控制单元（750，800）对本地振荡器（700）进行控制，以便在两个频率裕度之间周期性改变振荡频率，其中这两个频率裕度以这样的方式进行适配，使得光电探测器（200）的输出信号中的最大拍频处于这两个频率裕度之内。所提议的设备通过使用具有集成的光电二极管的VCSEL而允许小型化和成本降低，并实现具有较少检测问题的操作。

Description

基于自混合干涉的原子频率捕获设备

技术领域

本发明涉及原子频率捕获设备，至少包括：利用原子气体填充的气室，所述原子气体具有允许相干布居俘获（coherent population trapping）的第一和第二能源过渡（energy transition）（能量跃迁）；和具有激光腔的激光光源，其发射激光束，所述激光束进入气室并激发原子气体的第一能源过渡。

原子频率捕获设备通常被用作为许多应用提供时间基准的原子钟。随着电子设备的持续小型化，也需要在诸如GPS接收器的便携式电池供电设备中允许例如高精度定时的小型化的原子钟。

背景技术

相干布居俘获是在原子钟中用于获取原子频率作为稳定时基的一种技术。例如，这样的原子频率捕获设备或原子钟包括小型化的气室，该气室包含诸如Cs或Rb之类的金属蒸汽。通常，这个气室保持在大约100℃的温度上，以实现特定的气体压力。在适合相应原子中的光跃迁的波长上发射的激光器被安排为将激光束引导到利用相应的原子气体填充的气室内，例如，对于Cs来说，所述波长为852nm。同时，利用在某一频率上运行的稳定的电子振荡器来调制激光辐射，其中该频率适合相应原子的超精细跃迁的一半，例如，对于Cs分裂的一半来说，该频率为4.6GHz。这个频率被用作原子钟的时基。检测光电二极管测量激光束在经过该（气）室之后的衰减。基于在目标频率上显示最小值的光电二极管信号，电子电路将电子振荡器调节到原子超精细跃迁的频率。这个最小值是由于相干布居俘获而引起的，而相干布居俘获涉及（小）部分的原子变为在形成超精细跃迁的两个基态的相干叠加中被俘获的事实，这由于这些基态到光激发态的光跃迁的跃迁概率幅度之间的破坏性干涉而不吸收光。

D. K. Serkland等人在http://www.sandia.gov上的“VCSELs for Atomic Clocks”描述了对于依靠这样的相干布居俘获的原子钟的VCSEL（VCSEL：垂直腔表面发射激光器）的使用。在这个文献中也解释了这种技术的物理背景。Serkland等人使用被填充有Cs的气室，其中利用在852nm的波长上发射的VCSEL来激发Cs。在4.6GHz上对激光器输出进行频率调制，由此从352THz（852nm）的载波光频中获得在+/-4.6GHz上的频率调制边带。激光束在通过该气室之后的功率利用被安排在该气室的相对侧上的光电二极管来测量。当经调制的VCSEL被调谐到大约1GHz宽吸收共振并且调制频率在4.6GHz的附近被调谐时，在正好是9.2GHz超精细频率的一半上观察到所发射的光功率的窄增加。用于生成4.6GHz调制的本地振荡器被锁定到这个窄共振，产生正好是Cs基态超精细分裂的一半的频率。

发明内容

本发明的目的是提供一种原子频率捕获设备，其能够被用作原子钟，并且与现有技术的系统相比，其允许进一步的小型化和成本降低。

该目的利用如在权利要求1中所定义的原子频率捕获设备来实现。这个设备的有利实施例是从属权利要求的主题，或在说明书的后续部分中进行描述。

所提议的原子频率捕获设备至少包括：

气室，其填充有原子气体，所述原子气体具有允许相干布居俘获的第一和第二能源过渡，所述第一和第二能源过渡对应于第一和第二跃迁频率；

具有激光腔的激光光源，其发射激光束，所述激光束进入气室并激发原子气体的第一能源过渡；

本地振荡器，其适于在包括原子气体的第二跃迁频率的一半的频率范围中生成振荡器频率；

调制器，其调制所述激光光源，以便发射利用振荡器频率调制的激光辐射；

光反射器，其被安排成在经过原子气体之后反射激光束，以便重新进入激光腔，所述重新进入的激光束在激光腔中引起自混合效应，由此以所发射的激光辐射的强度产生拍频；

光电探测器，其被安排成检测拍频；和

控制单元，其连接到光电探测器和本地振荡器，并控制本地振荡器，以便在两个频率裕度（margin）之间周期性地改变振荡频率，这两个频率裕度以这样的方式进行适配，使得光电探测器的输出信号中的最大拍频处于这两个频率裕度之内。

当振荡器被调谐至第二跃迁频率的一半时，正好达到最大SMI拍频。因此，这个最大拍频能够用于将振荡器锁定到这个跃迁频率，而对于进一步的应用，这个跃迁频率随后被用作时基。这种自混合干涉技术使之有可能将具有集成的光电二极管的VCSEL用作激光器和检测设备。这使得光学机械设置更加紧凑，这是因为激光器和检测器被集成并且仅被安排在气室的同一侧上。在这种情况下，整个设备或原子钟只包括具有集成的光电二极管（VIP）的VCSEL、气室以及形成本地振荡器和控制单元的适当的ASIC。因此，极端小型化和成本降低变为可能。此外，基于使用自混合干涉的检测原理，仅测量频率而非振幅。与现有技术中的解决方案相比，这能够更容易地完成，并且这具有较少的检测问题。在这种情况下，测量信号可能是相当强的，并且完全不受非源于激光器本身的任何其他辐射的干扰，而且能够被测量为在kHz到MHz范围中的相对低频信号，这与现有技术中所描述的DC振幅测量相比是更可取的。

能够如下理解所提议设备的检测原理。在激光光源与给出反馈的光反射器或反射镜之间安排利用原子气体填充的气室，例如，所述原子气体可以是Rb或Cs蒸汽。因为任何的四分之一波长的变化已引起反馈信号的变化，所以这种反馈对于反馈路径的光学长度是非常敏感的。在将光反射器与激光光源之间的距离保持在恒定的几何长度上时，如果之间的折射率在改变，则光学长度改变。气体的折射率取决于波长。尤其在接近于共振跃迁时，折射率达到非常高的值，并且随着波长快速地改变。

在所提议的原子频率捕获设备的设置中，光学吸收的强度不仅取决于波长，而且还取决于调制频率与第二跃迁频率的一半的完美匹配，其中第二跃迁频率的一半在诸如Cs或Rb之类的金属蒸汽的情况中是HFS（超精细分裂）跃迁的一半。如果本地振荡器的频率略微偏离预期的频率，那么折射率改变，并且光电探测器测量与光反射器和激光光源之间的距离的变化相类似的信号。这样的测量原理不同于以具有集成的或附加的光电探测器的VCSEL为基础的SMI传感器（SMI∶自混合干涉）。

与这样的SMI传感器的通常使用相比，其在原子频率捕获设备中的使用由于极其复杂而使得检测更加困难。通常，通过产生激光波长调制的激光电流的调制来测量在光反射器与激光光源之间的外距。然而，Cs或Rb跃迁的谱宽度是如此之小，以致于激光器必须正好操作在正确的波长上。这是非常难以实现的，因此在这里不能应用这种方法。激光器与光反射器之间的外距的变化也被称为外部光腔长度，其也能够作为光反射器的移动来观察。但是，需要速度测量的这种移动为了达到对于原子钟所预期的精度而将不得不以极限准确度来控制。即使振荡器极其缓慢地移位，该时钟也将显示长期离开（walk-off）。所应用的技术应允许正确检测HFS跃迁最大值，而不仅仅是变化的正确检测。这既不能借助于波长扫描来完成，也不能借助于移动检测来实现。

为了避免上面的复杂化，所提议设备的控制单元被设计成允许以下的检测方法。激光光源正运行在恒定波长上，即，正运行在所使用的原子、特别地Rb或Cs的第一（光）能源过渡的波长上。应指出，激光器的谱宽度远小于第一能源过渡的谱宽度。因此，激光波长的小变化仍被允许。激光功率利用本地振荡器的频率例如4.6GHz来调制。必须确保：任何的波长变化保持为足够小。这似乎由于高调制频率而被准许。此外，功率调制深度可以限于绝对功率的小部分，以确保这种状况。

本地振荡器并没有真正地运行在固定频率上，而是例如在4.6GHz上利用大约20~50kHz的频率变化被缓慢地频率调制。这导致更强和更弱的HFS跃迁，并因此导致光学外腔长度的变化。这种变化在HFS最大值的周围、即在将被捕获的预期频率的周围是最强的。

在光学外腔长度的最强变化上，SMI拍频是最高的。因此，对于所测量的SMI拍频的最大值和对于所希望的最佳HFS频率的最大值相重合，以致通过仅寻找最大拍频来发现HFS跃迁频率。这种测量由于其并不取决于绝对振幅而是相当明确的。自混合效应以周期方式引起激光光源的输出功率的变化，而这种变化利用光电探测器来测量。光电探测器的输出信号因此包括被提供给频率检测电路的拍频信号，即，这个输出中适时间隔开的峰值，其中频率检测电路确定拍频信号的频率，即，每两个峰值之间的反（比）时（间）。另外，能够直接地（例如，通过锁相环电路）测量拍频信号的相位，这在缓慢变化的情况中是有利的。

在所提议设备的一个实施例中，控制单元被设计成以这样一种方式来调节振荡器的调制频率范围，使得所预期的HFS频率始终处于调制范围的中心，即，被连续适配的这种调制的两个裕度频率之间的中心。振荡器在太高频率上运行的时间间隔因而正好被具有太低频率的时段抵销。利用这种措施，实现非常好的设备的长期精度。

从上面的描述中可以清楚的是：气室并不限于任何特殊的设计或尺寸。这个气室只需能够将原子气体保持在预期的温度和/或压力上，这可以利用依附于该气室的附加的加热元件来实现。此外，该气室必须允许激光束沿着至少一条路径经过。光反射器、特别地用于激光束的波长的合适的反射镜可以直接依附于该气室，或与该气室间隔开。此外，这样的反射镜也可以在该气室内形成，或作为该气室的壁之一的层来形成。激光输出的调制优选地通过调制激光光源的工作电流来实现，但是并不局限于这样的调制模式。

附图说明

现在将参考附图、利用示例来描述所提议的原子频率捕获设备，而不限制如利用权利要求书所定义的保护范围。在附图中，

图1是原子频率捕获设备的一个实施例的示意布置图；和

图2显示阐明所提议设备的操作原理的三个图表。

具体实施方式

图1是所提议的原子频率捕获设备或原子钟的一个示例的示意布置图。激光驱动器600向VCSEL 100提供工作电流，该VCSEL朝着准直透镜300发射激光束。该激光束经过气室400，其中该气室被保持在例如60℃与100℃之间的高温上，以维持所填充的碱金属的适当压力，其中在当前示例中该碱金属是Cs。温度可以借助于包括温度测量与反馈环路（未显示）的小型加热元件来控制。这样的气室在原子钟的领域中是公知的。

反射镜500被安排在气室400的后面，以便朝着它自身反向反射准直的激光束。为了调节所希望的反馈，应适当地例如利用10%的反射率来设计反射镜500的反射率。此外，也推荐在激光器100前面的附加的衰减器，以确保在激光腔内最佳的自混合效果。所有其他的光学表面优选地提供有抗反射（AR）涂层。反馈由于自混合而影响激光器的光功率。这个激光功率由光电二极管200来监视，其中该光电二极管测量通过在激光器的这一侧上的底部DBR（DBR：分布式布拉格反射器）泄露的激光辐射的量。优选地，如在执行自混合干涉的VCSEL的领域中所公知的，光电二极管200与VCSEL单片集成。该光电二极管也可以直接地被集成在底部DBR中。

来自光电二极管200的电信号在放大器900中被放大，并在谱分析仪800中被分析。基于该分析，谱分析仪800提供由于自混合干涉而引起的拍频。在控制电路750中分析这个拍频，其中该控制电路也以这样的方式来设置本地振荡器700的频率调制，使得最大拍频正好在调制间隔的中心。振荡器700生成与所使用的碱金属中的HFS跃迁相匹配的例如4.6GHz的高频。这个频率被用作时钟的时基，其通过时钟端口710被提供给相应的应用。该高频也被用于幅度调制该激光器的电源600。调制深度必须被设计，以便将激光器的任何波长调制保持为远小于该激光器的线宽。

在图2中阐明操作原理。振荡器700由控制电路750进行频率调制。图2中的顶部图表显示三角频率调制Δv的示例。中间图表显示激光束在金属蒸汽中的吸收。它在振荡器频率正好与HFS跃迁相匹配时展现出最小值。下部图表显示折射率dn/dt的变化，其与光学外腔长度的变化相对应，并因此与拍频相对应。最大拍频与HFS跃迁相符。

在图2的上部图表中的水平虚线阐明：能够以这样的方式来选择调制Δv，使得在这条线之上和之下的区域是相等的，并因此该时钟过快和过慢工作相等的时间量。其中裕度频率被连续地调节的这种调节由控制单元750来执行。利用这种措施，预期的原子频率总是处于本地振荡器的调制范围的中心。本地振荡器被稳定至的这个中心振荡频率被用作原子钟的标准信号。

虽然在附图和以上的描述中已阐明和描述了本发明，但是这样的阐明和描述将被认为是说明性的，或者作为示例而非限制。本发明并不限于所公开的实施例。如上所述的并在权利要求书中所定义的不同实施例也能够进行组合。在实践所要求保护的发明的过程中，通过研究附图、公开内容以及所附的权利要求书，本领域技术人员可以理解并实施所公开的实施例的其他变体。例如，本发明并不限于VCSEL的使用。VECSEL（垂直扩展腔表面发射激光器）也可以利用相同的方式被用作激光光源。如果不需要小型化，在该设备中也可以使用其他的激光光源。

在权利要求书中，动词“包括”及其动词变化形式的使用并不排除其他的部件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。在互不相同的从属权利要求中叙述措施的纯粹事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的参考符号不应被解释为限制这些权利要求的范围。

参考符号的列表

100 VCSEL

200 光电二极管

300 准直透镜

400 气室

500 反射镜

600 激光驱动器

700 本地振荡器

710 时钟端口

750 控制电路

800 谱分析仪

900 放大器

Claims

1.一种原子频率捕获设备，至少包括：

气室（400），其利用原子气体来填充，所述原子气体具有允许相干布居俘获的第一和第二能源过渡，所述第一和第二能源过渡对应于第一和第二跃迁频率；

具有激光腔的激光光源（100），其发射激光束，所述激光束进入气室（400）并激发所述原子气体的第一能源过渡；

本地振荡器（700），其适于在包括原子气体的第二跃迁频率的一半的频率范围中生成振荡器频率；

调制器（600），其调制所述激光光源（100），以便发射利用振荡器频率调制的激光辐射；

光反射器（500），其被安排成在经过原子气体之后反射激光束，以便重新进入激光腔，所述重新进入的激光束在激光腔中引起自混合效应，从而以所发射的激光辐射的强度产生拍频；

光电探测器（200），其被安排成检测所述拍频；以及

控制单元（750，800），其连接到光电探测器（200）和本地振荡器（700），并控制本地振荡器（700），以便在两个频率裕度之间周期性地改变振荡频率，所述两个频率裕度以这样的方式进行适配，使得在光电探测器（200）的输出信号中的最大拍频处于所述两个频率裕度之内。

2.根据权利要求1的原子频率捕获设备，其中控制单元（750，800）被设计成以这样的方式来适配所述两个频率裕度，使得在所述光电探测器（200）的输出信号中的最大拍频始终处于所述两个频率裕度之间的中心。

3.根据权利要求1的原子频率捕获设备，其中控制单元（750，800）被设计成利用在1kHz与100kHz之间的调制频率来周期性地改变振荡频率。

4.根据权利要求1或2的原子频率捕获设备，其中所述激光光源（100）是VCSEL。

5.根据权利要求4的原子频率捕获设备，其中所述光电探测器（200）与所述VCSEL单片集成。

6.根据权利要求5的原子频率捕获设备，其中所述调制器（600）被设计成调制所述激光光源（100）的工作电流。

7.根据权利要求1的原子频率捕获设备，其中控制单元（750，800）包括：用于控制本地振荡器（700）的控制电路（750）；以及用于确定在所述光电探测器（200）的输出信号中的拍频的谱分析仪（800）。