CN102736510A - 带有原子振荡器的手表 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手表，其包括原子振荡器，该原子振荡器包含用于检测由拉曼效应获得的拍频的系统。

Description

带有原子振荡器的手表

技术领域

本发明涉及一种包括原子振荡器的手表。也涉及一种通过原子振荡器给手表发送时间参考信号的方法。

背景技术

对精度的追求是制表业技术革新的推动力之一。该精度在很大程度上是由振荡器的性能决定的，其振荡频率产生时间信号，该时间信号决定了手表机构使用的时基，用于最终在显示盘上指示时间。

现有技术中第一种解决方案包括机械振荡器，其基于与螺旋弹簧连接的称为摆轮的飞轮。如文献EP0886195以及EP1422436中举例描述的那样，尽管基于特殊材料选择的创新努力，但是机械振荡器的稳定性只处在每天一秒的级别。

现有技术中第二种解决方案包括了石英振荡器，其可达到每月一秒、或者采用更复杂的温度补偿装置来避免由温度的变化引起的漂移时甚至是每年一秒的精度，如文献WO2008/125646中所述。

最后，第三种解决方案，由于很难在实际中实施而属于相对理论性的，在文献EP1852756以及EP1906271中被设想为采用原子振荡器，基于已知的相干布居捕获(coherent population trapping-CPT)效应，使其可测量通过原子如铯或铷原子的混合物而发送的光强度。理论上，这种解决办法能获得比前两种解决办法中更精确的振荡器。然而，这些文献没有提供关于手表中原子振荡器具体结构的信息。例如，间歇地使用原子振荡器，而没有任何关于该原理的具体稳定实施方式的说明。也没有具体说明如何能获得功耗与体积两者都与手表中的实施相兼容。

因此，本发明的目的是提供一种手表振荡器，其能够获得更高的精度，同时考虑到手表中非常有限的体积以及较低可用动力的严重约束。

发明内容

为此，本发明基于一种手表，其依赖用于检测由拉曼效应(Raman effect)获得的拍频(beat frequencies)的系统以获得更高精度的时间参考。

本发明具体地由权利要求进行限定。

附图说明

本发明的这些目的、特征及优点将在以与下述附图有关的非限制性示例方式给出的具体实施例的描述中进行详细说明。

图1表示阐述根据本发明一个实施例的手表原子振荡器原理的简图。

图2表示根据本发明一个实施例的手表原子振荡器的功能图。

图3表示根据本发明一个实施例的光检测系统的等价电路图。

图4表示根据本发明另一实施例的光检测器的等价电路图。

图5示意性地表示作为频率ω的函数的增益g的曲线，两个坐标轴为对数形式，关于常规跨阻抗放大器(实线)、具有用于增加带宽的元件的跨阻抗放大器(“感应器峰值化”或“高频率增益提高”；短划线)、以及根据本发明的检测系统(点线)。

图6表示用开环模式的原子振荡器扫描的作为激光器射入电流的函数的气体吸收光谱。

图7表示双行程原子振荡器的第一实施例。

图8表示双行程原子振荡器的第二实施例。

图9表示双行程原子振荡器的第三实施例。

图10表示基于第二双行程实施例以及直角几何形状的原子振荡器的示意性分解图。

图11表示基于第二双行程实施例以及直线几何形状的原子振荡器的示意性分解图。

图12表示基于第一双行程实施例的原子振荡器的示意图。

图13表示基于具有直角几何形状的第一双行程实施例的原子振荡器的示意图。

图14表示基于第三双行程实施例的原子振荡器的示意图。

具体实施方式

所采用的方案是以基于拉曼效应的原子振荡器的应用为基础的，其依赖于参考原子在光学谐振频率处的辐射，其引起具有从参考原子的超精细频率变化来的光频的光子的发射。通过将两个产生的信号相结合，能获得可检测的节拍，其信号的频率用作手表的时基。

图1示意性地图解说明根据本发明的一个实施例的基于拉曼效应的原子振荡器的光学部分。它包括：激光器二极管1，其可以是低功耗的VCSEL激光二极管，发射出线性偏振光束11；以及四分之一波长的板2，其按照入射的圆偏振光束12对来自于激光器的光进行偏振。该光束12穿过包含所选择原子例如铯或铷原子、带有缓冲气体的小室3，该小室可选择地放置在磁场B内。离开小室3时，如上所述，入射的信号12与由拉曼效应产生的第二信号13相结合。这两个信号的结合由光探测器4检测到，使其能恢复来自铯或铷原子并包含原子时基的该信号。这个输出信号14经由微波分频器类型的电子信号处理装置5进行分析，用来产生时基所需的信号频率。输出15最终表示手表使用的该时基，下面将会说明。可选射频放大器6放置在光探测器4的输出端。

附带地，输出信号的部分14可选地，但是有利地，用于通过使用射入进激光器1的微波来调制激光器射入电流，该信号的这部分由箭头7来表示。这样的配置使得能够在输出14处获得更好质量及更易使用的信噪比。该原理与激光器的幅值调制是等价的。

需要指出的是，小室3定位在磁场B内，从而可提升(lift)原子塞曼(Zeeman)亚态的退化。作为一种变形，小室可置于零磁场中，使其可叠置(superpose)能级，以获得高信号和简化的振荡器。

图2功能性地示出了根据本发明一个实施例的基于拉曼效应的原子振荡器。它包括：电源以及DC/DC转换装置21；以及处理单元23，其可以是低功率电子装置或处理器，其主要的功能包括所有或部分的下述功能：确定激光器1的工作频率和其射入电流；控制小室3和激光器1的温度；管理激光器的间歇方式；对原子振荡器的频率进行温度校正；以及设置较低精度的附加振荡器，例如石英振荡器。这些功能的实现将在下面详细的说明。因此该振荡器包括：激光器1的DC电流源24；用于加热激光器1的DC电流源25；螺线管36的电源26，用来产生磁场B；以及用于加热小室3的电流源27，其与还可增加温度传感器的关联加热器37相配合。

这些不同的元件使得能够对作用于振荡器的光学装置10的激光器1进行操作，光学装置10的简化框已经参考图1示出。在这个实施例中，由用于产生可选磁场B的发生器36、加热器37以及小室3构成的组件位于屏蔽壳体38中，可使这些构件是磁性屏蔽的。作为一种变形，仅将这些构件中的一些容纳在屏蔽壳体38中。作为另一种变形，该磁场可以为零，并且振荡器可以按上述说明的进行简化。在输出侧上，高速光探测器4包括DC输出，其用来将与接收到的光强度成比例的信号返回到处理单元23。它还包括RF输出作为一种信号，该信号在被重新射入到双工器34(偏置三通管)之前，首先由放大链32进行放大，之后经过延迟线和相位转换器33，这使得可将RF信号与来自电流源24的DC激光器射入电流结合。部分放大了的RF信号由分频器5进行处理后返回到处理单元23。该处理单元传送在用户频率(例如32kHz或每秒1脉冲，等等)的信号22作为输出。最后，该振荡器由低能耗元件制成，用来实现与手表环境相适合。

需要注意的是CPT类型的原子钟全使用复杂的结构，且包括用于校正本地振荡器的VCO(电压控制的振荡器)，以及用于控制振荡器的电子装置，整体表现出了高的功耗。上述的拉曼类型的原子振荡器具有简化得多的优点用于极大地降低功耗。

在这种使用了拉曼效应的振荡器中，在第一频率的入射激光光束与原子蒸汽互相作用，因此通过光-原子的相互作用，通过拉曼效应激励了具有第二频率的第二光束的发射。正如提及的，在第一和第二频率之间的节拍产生了第三频率，叫做拍频，其用作时基。在蒸汽包括例如铷85原子，并且激光器是发射波长在780mn或794nm区域内的光束的VCSEL(垂直腔面发射半导体激光器)类型的情况中，拍频大约是3GHz并具有在100kHz左右的带宽。该拍频总体上是等级非常低的，并且具有非常低的光谱含量。检测由振荡器输出的、准备使用在手表中的这种拍频是个棘手的技术问题，特别是还需要限制功耗。

为了解决该技术问题，提出了一种用于检测高频(ω_C)的窄带信号(i_PD)的系统，其具有低的电流消耗。该系统包括发生器，用于以电流形式传递信号(i_PD)，以及并联谐振电路，用于使发生器的输出阻抗作为所产生的信号频率的函数变化并且用于将电流转变为电压。该系统同时包括放大级，用于进一步增加增益，同时最小地弱化(impair)系统的噪声，以便能检测幅值很低的信号。所述发生器是前述提到的由电磁辐射激励的光检测器4。

根据所述检测系统的一个实施例，如图3所示，简单的感应器L1包括在并联谐振电路的结构中，并且光检测器是包括了光敏二极管PD的那种类型。该光敏二极管PD通过连接到电压源的感应器L1偏压。这种配置使得通过供应所需的电流可以维持光敏二极管PD在期望的电压使光敏二极管PD正确的运行。应该注意的是要检测的信号具有中心在几千兆赫级别的预定频率ω_C附近的光谱含量，所述光谱含量非常狭窄(10^-4ω_C级别)。

要检测的信号i_PD在将感应器L1连接到光敏二极管PD的节点N处以电流的形式出现。该节点N与放大器MAMP的输入电连接，并且放大后的信号出现在放大器MAMP的输出端。由此配置的节点N因而与寄生电容C_IN相关联。该寄生电容C_IN与感应器L1一起形成了并联谐振电路。确定感应器的电感使得要检测信号的频率处的感抗与寄生电容C_IN的容抗相等。换句话说，ω_CL1＝1/(ω_C C_IN)。这些条件产生具有品质因数Q和中高宽度1/Q的低通滤波器。通过将感应器L1集成进电路，可获得大约是10的品质因数Q，而将感应器L1置于电路以外，则可获得大约是50的品质因数Q。该等价并联电阻R_p与ωLQ相等。由于有了高的品质因数Q，可在没有与其通常相关联的功耗的情况下达到高的增益。若没有本发明，替代所提的是使用具有10GHz带宽的宽带跨阻抗放大器。典型地，这种类型的放大器功耗大约一瓦特，然而上述所提出的放大器功耗不到两毫瓦特。

图5清楚地表示两种类型放大器的作为频率函数的增益的差异。现有技术中的宽带跨阻抗放大器能覆盖宽的频率范围，但是承担了高的功耗以及相对高的噪声水平，考虑到带宽越宽噪声越高。与宽带跨阻抗放大器不同，所述提出的解决办法用谐振元件选择中心在中央频率附近的信号，其显著地低于所用的光探测器技术的典型截止频率。增益特征显示了非常窄的带宽，与信号的窄的光谱含量(10^-4ω_C的级别)相适应，因而与跨阻抗放大器相比极大地减少了噪声。因为系统没有包括有源元件，所以功耗非常低。

由于节点N具有非常高的阻抗，通过最小化系统的噪声，使用具有普通低噪声源的简单MOS类型放大器就足以进一步增大增益，以使得能够检测非常低的幅值的信号。在一个实施例中，放大器在输出端具有电阻负载。在另一个实施例中，得益于要检测的信号具有非常窄的光谱含量可以是单一的非调制频率这样的事实，在放大器输出端的负载由第二感应器L2提供，选择其电感以最大化信号在预定频率ω_C处的增益。

放大器的输入可以AC模式耦接到节点N，也就是说用耦合电容CC，并且因此放大器的输入由电压源Vb通过电阻器Rb偏置，使得放大器的输入位于最佳的电压。

在根据本发明的电路的生产中，可能出现这样的情况，寄生电容器C_IN的电容或者感应器L1的电感一批与另一批不同或一个元件与另一个有所不同。这将产生这样的影响，谐振电路的谐振频率改变到适合于在预定频率处检测信号的频带之外。为此，推荐调整与节点N相关联的电容器的电容。这可以通过各种方式实现，例如通过使用配平电容器或例如通过制造过程中有目的的金属沉积、使用几个可以与节点N连接或分开的电容器。这还可以通过激光修正系统实现，该系统中的节点N与电容器连接，其电容在测试系统时通过激光器消融来调整。

根据本发明的一个实施例，谐振电路包括如图4所示的BAW(体声波)类型的机电谐振器。该BAW谐振器甚至提供更多的可选择过滤，并且在反谐振时具有高的实际阻抗，同时仍然允许对与节点N相关联的寄生电容C_IN失效。根据一个实施例，机电谐振器使得能获得大于300的Q值。在该实施例中，光敏二极管使用自适应电路进行偏置，该电路的输出级是可控电流源CCS以便于保证在低频二极管上固定的偏置电压。

当在手表内实现使用拉曼效应的振荡器时，遇到的另一个技术问题是获得足够的稳定性，同时提供在满意的时间周期上的精确运行。该问题通过上述关于图1所描述以及图2功能性展示的运行已经解决。

在光学激光频率处检测到的RF信号的反馈，用来控制激光器的发射频率，一直在现有技术中被推荐用来获得稳定的高精度原子振荡器，特别是对于CPT类型的原子钟。在本发明中已经发现，几乎不可能反复且可靠地在闭环模式中关于激光器的光学频率来控制拉曼振荡器的运行。在闭环模式中的拉曼振荡器的情况，同步探测对于稳定激光器频率是不适合的。

出乎意外地，可以不使用激光器的光学频率反馈控制来运行拉曼振荡器，也就是说使用零频率反馈控制，或换句话说不使用激光器的光学频率的任何活性控制，也就是关于激光器频率在开环模式中运行。

根据上述原理实施了稳定性测试，已显示了良好的稳定性。在87.5℃的温度时，拉曼振荡器每160年将变化一秒，并且以稳定的方式至少连续地运行几天。

具有5mm有效长度的小室的温度，还被降低到低于铷的熔点(39.3℃)。将温度从90℃降低到35℃，相当于以两个量级(～10^-4托到10^-6托)降低饱和蒸汽压力。稳定性取决于小室的温度，但是温度达到35℃时依然可以接受。这是因为在40℃的温度，拉曼振荡器还是以每16年一秒的稳定性令人满意地运行，这点是显著的。在35℃，拉曼信号仍然存在并且足够稳定。这个未曾料想到的发现使得可根据一个实施例设想出没有小室加热的原子振荡器，例如，仅当小室周围的温度足够高，例如35℃左右，优选地是40℃左右时运行。因而，根据一个实施例，原子振荡器可在40℃的温度或更低处运行，或甚至是35℃或更低。同时也可想象到通过在小室中使用Cs取代Rb来降低运行温度，铯的熔点值甚至比铷的更低(28.5℃，相比于39.3℃)。因此，使用原子振荡器在手表中发射时间信号的过程，可包括使其运行被保持在上述提到的温度范围内的温度反馈控制，和/或时间信号的与温度有关的校正。

当振荡器运行时将遇到额外的技术问题。具体地，上述说明的解决方案展示了，当振荡器处在巡航模式时，根据关于图1和2中描述的装置如何获得该振荡器的稳定的高性能的运行。完全地在开环模式中的运行，也就是说没有图1中的反馈7，将是能想到的可替换但性能较低的实施方式，因为获得的信号将相对较低并且光谱较不纯。

为此，已经发现具有降低的激光器射入电流范围，也即相应的频率范围，接近于小室中气体的光学吸收峰值，其使得当小室上的激光辐射在开环模式中开始时，能够在其后转换到如上所述的闭环模式，以便使振荡器发生谐振以获得上述最佳的运行机制。因而，通过明智地在启动激光器时选择激光器射入电流，并且之后关于上述说明的激光器射入电流放置在闭环电路模式中，振荡器将自然地达到其最佳的运行机制。该现象导致振荡器的自启动，并且使其可间歇地使用。

在自然的铷的情况中，该运行范围将在图6中更准确地进行说明。图6显示了铷的光学吸收曲线50，经由在光敏二极管6上获得的信号作为激光器射入电流的函数。较好的电流范围位于区域52，其代表了最高的吸收峰51的一部分，并且距该峰的最大和最小两个值V_max以及V_min有一定距离。通过选择距离这些最大和最小值足够远的窄范围[V₁；V₂]，可从其中推导出较好的电流范围[i₁；i₂]。

上述意见使能够利用基于拉曼效应的手表振荡器来实行启动过程，其形成了使用本发明的原子振荡器发射时间信号过程的部分。

第一阶段包括寻找最优激光器射入电流i，也就是说从i₁到i₂的范围。该第一阶段包括以下步骤：

-以开环模式设置拉曼效应振荡器；

-扫描激光器频率以及识别最大吸收点V_max及其相应的射入电流I_max，并且还识别与关联峰51的最小吸收点V_min及其相应的射入电流I_min；以及

-通过给I_min增加一定的阈值或通过从I_max中减去该值，确定在i₁与i₂之间的射入电流ILD。例如，可选择接近于i₁的值。

举例来说，对于实验使用的铷以及VCSEL激光器，该激光器射入电流必须选择在2.25760mA到2.25824mA之间，且V₁是V_min加V_max-V_min的15％，V2是V_min加V_max-V_min的67％。

该启动过程的第一阶段可在振荡器的每次启动之前执行，以便于获得最大可能的精度，从而使得能根据装置或测量条件的任何漂移，基于时间来修改前面的值。作为一种变形，该阶段仅执行一次以校准装置，并且将数据进行存储以便于可在每次启动时使用。

具体地，对于启动激光和振荡器，所述启动过程也执行以下的步骤：

-通过增加上述说明的反馈7，以闭环模式设置振荡器；

-调整激光器射入电流到经由第一阶段辨识出的ILD值；

-校验在输出端获得振荡器的共振现象；以及

-在非共振的情况下，以预定增量，在[i₁；i₂]的范围内微小地修改

射入电流ILD，并且重复该步骤直到获得共振现象。

根据实施的一种有利方法，该过程包括测量激光器光学功率的在先步骤，因为振荡器的频率可受与原子相互作用的光学功率的影响。可通过使用装置的光敏二极管测量光学功率以及通过比较稳定参考压源、这样产生的光压来执行该操作。通过调整激光器射入电流以及激光器温度，则可以获得振荡器的名义光学功率以及名义光频。该方法可包括调整激光器功率的步骤。

根据实施的另一种有利的方法，该过程包括设置气室以及激光器的温度的在先步骤，因为正如前面提到的那样，振荡器的运行受温度影响。在闭环模式中的拉曼振荡器的频率与小室温度之间具有关联性。该性质使得可在开始以及停止振荡器的阶段通过单个的温度测量对频率进行控制。

因此，根据所选择的实施例，拉曼振荡器包括温度反馈控制回路。为此，它包括温度传感器，可以是光敏二极管，以及加热器，用于在所述光敏二极管低于设定温度时提高温度。

上面描述的启动过程的步骤由振荡器基于特别是在微处理器控制下的上面提到的处理单元23的硬件和软件设备自动地控制。

因而，上述的原子振荡器可在手表中实施。

根据第一手表实施例，间歇地使用拉曼振荡器，以补偿现有技术中常规振荡器，例如石英振荡器。在该实施例中，原子振荡器发送时基用于设置石英振荡器、对其进行校准并使其精度随着时间而大大增加。原子振荡器的这种间歇地操作与常规手表相比，具有可控制的附加功耗的优点。由于该振荡器的启动受到上述过程的控制，该手表的第一实施例的性能非常高。根据手表的功耗以及精度之间的折衷来选择原子振荡器的启动周期：该振荡器使用次数越多，表将变得越精确，但是功耗也更高。当较低精度的附加振荡器通过原子振荡器得到校正时，后者被关掉。

根据第二手表实施例，拉曼振荡器使用其自身作为常用普通振荡器的替代物，作为单一的时基，并且因此用于持久的运行。在该实施例中获得了最高的精度，但却是以更大的功耗作为代价。

上面描述的原子振荡器还以紧凑的结构制造，以便于其能嵌入到手表中。图7到14展示了几个原子振荡器光学部分的实施例，使得能获得与集成入手表相适应的体积。为此，所有这些实施例都基于激光光束穿过小室的两次行程，从而使得能够在小体积中获得激光光束的较长总长度。

图7到9展示了三个不同的实施例，用于同时提供穿过气室106的两次行程，并且保护激光源102不受到任何反射。这些不同实施例的一个共同点是，都具有半透明的镜107，其允许已穿过气室106的部分激光光束通过，以便于到达用于控制小室温度的光探测器109。作为一种变形，可通过将光探测器109省略以及使用不透明的镜子来简化这些实施例。

这三个实施例的不同在于，将光束指引到小室以及光探测器上的部件，以及使用来防止经由镜子反射的光束与激光源产生干涉的部件。

图7展示了本发明的第一实施例。激光源102产生了线性偏振的激光光束，其直射在偏振器103上，其透射轴的朝向使得可允许激光光束从其中穿过，之后到达具有预定的分光比的分路器101。因此光束的一部分被发送到可选光探测器108b，同时分路器将光束的其它部分反射到四分之一波长的板105上。所述线性偏振，对于平行于偏振器的透射轴的部分(所透射的部分)用“P”表示，并且用“S”表示与偏振器的透射轴垂直的部分(也即，由偏振器吸收的那部分)。在图中，“P”部分由三个实心圆圈组象征性地示出，而“S”部分由三个短划线组象征性地示出。板105的作用是将激光光束由线性偏振转变为圆偏振，该板相对于偏振器定方位以便产生圆偏振。事实上，当光线由圆偏振光束产生时，在光线和气室106中的原子之间具有最佳的相互作用。离开气室106的一部分光束之后经由镜107反射，该镜将其中圆偏振的方向进行反转，并因此再一次地穿过气室106。在离开气室106时，光束到达了四分之一波长的板105。根据分路器101预定的分光比，之后该光束被部分地透射，并到达光探测器108a。该光束的另一部分经由分路器101偏转，并经由偏振器103大大的衰减，因为光束的偏振与偏振器103透射轴的垂直，因此保护了激光源102不受回来的反射。已穿过气室106的光束的另一部分，经由镜107透射并经由光探测器109收集。

图8示出了第二实施例。其与上面描述的第一实施例的不同，在于分路器101的使用，该分路器反射第一偏振的光束，并允许第二偏振的光束穿过。因此，由激光源102输出的光束根据其偏振而被分路，且相同的原理也适用于被反射的光束。因此不需要在分路器101与激光源之间放置偏振器，因为反射的光束全部透射到了光探测器108a上。所述线性偏振，对于与分路器的偏振轴平行的部分(图8的直角配置中透射的那部分)由“P”表示，并且用“S”表示与分路器的偏振轴垂直的部分(偏转过90°的那部分)。在图8中，“P”部分由三个短划线象征性地示出，而“S”部分由三个实心圆圈示出。已穿过气室106的光束的一小部分，经由镜107透射并经由光探测器109收集。

图9展示了本发明的第三实施例。在该图中，激光光束经由半透明镜107进行偏转，该镜位于激光光束的轴线的非垂直角度处。因此，反射的光束没有到达激光源102，而是直接偏转到光探测器108a上。有利地，镜107是凹面的，以便于将反射的光线束聚焦在光探测器108a上。已穿过气室106的光束的一小部分，经由镜107透射并通过光探测器109收集。镜的凹面形状也可用在图7和8中示出的两个实施例中，也具备上面描述的那些优点。

图10展示了与第二实施例相应的更完整实施例实例。分路器101是PBSC(偏振分光棱镜)的形状。该棱镜允许光束两次穿过气室106，从而两倍地增大在激光光线与原子媒介之间的相互作用。这产生了更好的原子信号，并因此得到更好的原子振荡器的频率稳定性。

在图10中，光学组件是基于微型的分光棱镜101，其侧面优选是1mm或更小，棱镜101用作分路器。根据标准的实施例，棱镜的分光体积典型地是1mm³。来自于激光器二极管102的光线束到达棱镜101的其中一个侧面。根据一个实施例，激光器二极管是VCSEL激光器二极管，其发射795nm的发散光线光束。在其它的实施例中，具有典型地从780nm到894nm的各种波长的其它类型的激光器二极管，可用于含有铷或铯的气室106。该选择决定于气室的原子组分。根据一个实施例，可在激光器二极管的前面增加准直透镜，以产生非发散的激光光束。

根据标准实施例，由激光器102产生的光线112是线性偏振的，并且经由中性吸收过滤器104a衰减。其它实施例中可以使用不同类型的过滤器。该过滤器的存在对本发明来说并不是必须的。半波长的板104b可用于修改激光源的线性偏振的角度。与微型分光棱镜101相结合，半波长的板104b可用作可变衰减器。在其它实施例中，可省去使用半波长的板104b，而由分光棱镜101透射与反射的光束的光强度比率可通过由激光器发射光线的线性偏振轴线相对于分光棱镜的的适当定向来进行调整。四分之一波长的板105放置于分光棱镜的输出侧，挨着被分路器101偏转的激光光束的输出面，也即，在分光棱镜上与光束入射成直角。四分之一波长的板105的快光轴以这样的方式定向，使得入射线性偏振113被修改为第一旋转方向的圆偏振114。在其它实施例中，四分之一波长的板105以这样的方式定向，使得入射线性偏振113被修改为与所述第一方向相反的旋转方向的圆偏振。该圆偏振激光光束114穿过气室106，到达所述镜107。后者只部分地反射光束，而部分光束穿过镜107导向到光探测器109上。根据标准实施例，气室是以MEMS(微机械电子系统)技术由玻璃-硅-玻璃组成的，典型地具有1mm³的内部体积，并填充有碱金属(铷或铯)原子蒸汽类型的吸收性介质以及缓冲气体的混合物。根据标准实施例，气室填充有自然铷以及作为缓冲气体的氮/氩混合物。在其它实施例中，其它类型的小室可填充不同的缓冲气体。根据一个具体的实施例，可使用微型柱状小室。在另一个具体实施例中，气室可集成在PBSC101中。该小室106可填充有其它类型的碱金属蒸汽(例如，铷85，铷87或铯133)以及其它类型的缓冲气体(例如，Xe或Ne)。

图11展示了基于与图8对应的第二实施例的光学双行程设计，其具有与图10中示出的直角双行程设计非常类似的严格几何形状。主要的区别就是“气室206，四分之一波长的板205，半透明镜207以及光探测器209”实体的位置，以及光探测器208b的位置。在图11示出的模型中，气室206放置于PBSC201之上，因而位于激光器202的相对面。这样，由PBSC透射并之后被四分之一波长的板205修改为圆偏振光束的P偏振的光光束213，与原子介质进行相互作用。S偏振的光线束217经由PBSC201反射，并且位于直角处的光探测器208b用于测量激光器功率。除这些不同之外，该实施例的工作原理与前述模型是相同的。

图12展示了根据与图7对应的第一实施例的拉曼振荡器实施例的直角几何形状的双行程组件的示意图。该设计的附图标记以201开始，与图7到9中所使用的相同元件标号增加了100。使用的分光棱镜201，其分光比预先设定为使得具有较少的反射和较多的透射，分别为2％和98％(+/-2％)左右。回反射光束216之后主要被偏转到光探测器208a上。在该实施例中，气室实体206被放置在分光棱镜201之上，而因此位于激光器202的相对面。光探测器208b位于直角处，因而由激光器202发射的光线束212经由分光棱镜201被反射218，并且用于例如测量激光器功率。该设计的工作原理与前述说明的依然相似。

图13展示了根据具有直角几何形状的第一实施例的装置。分光器101的分光比预先设定为使得具有较少的透射和较大的反射，分别约为2％以及98％(+/-2％)。在与碱金属蒸汽原子相互作用后，入射光束114a以及由激励拉曼散射(也称为拉曼光束)114b产生的光束经由镜107反射。在标准的拉曼实施例中，镜107由银覆盖，关于其对称轴及由入射激光光束定义的轴倾斜(典型的为2到20°)和/或偏心，并且是具有选定焦距的凹面以便于将回反射光束115(入射及拉曼光束)聚焦在光探测器108a上。镜107典型地具有几个百分比的光透射。该透射光到达光探测器109的表面，用于测量吸收光谱。在不同的拉曼实施例中，气室106的输出窗口是凹面的，由银(或其它的金属，例如是金)覆盖，并且用作反射镜。在其它实施例中，所述镜的输出窗口可以由电介质膜进行覆盖。

回反射(入射以及拉曼)光束115穿过原子介质并再次与之相互作用(双行程配置)。四分之一波长的板105将这些圆偏振的光线束转换成线性偏振的光线束116。这些(入射以及拉曼)光束119的绝大多数被反射并到达第一光探测器108a，其记录了入射光束和拉曼光束之间拍频。在标准拉曼实施例中，第一光探测器108a是高速半导体(砷化镓或硅)光探测器，其位于凹面镜107的焦点处。在其它拉曼实施例中，可使用不同类型的高速光探测器。第二光探测器108b记录直接来自激光器102并最初由微型分光棱镜101透射的光线118。以这样的方式，就可以测量并且调节激光器二极管102的输出功率。作为一种选择，光探测器121记录了由分路器101透射的回反射光束117。隔膜110和111用于阻止不想要的光线到达光探测器，如果它们的尺寸比微型分光棱镜101的更大。

图14展示了拉曼振荡器的第三实施例，其不是基于分光棱镜而是基于简单的双行程几何结构。由激光源102发射的光线被线性偏振，在穿过小室106之前经由四分之一波长的板105转换成圆偏振，经由镜107反射，再次穿过小室，并由第一光探测器108a进行检测。所述镜107是半透明的，具有置于镜后面的第二光探测器109。半透明镜107的这种使用使得已与小室内原子相互作用的光线能被光探测器109检测到。为了阻止经由镜回反射的光束与激光源102发生干涉，有利的是，在激光源102之前放置偏振器103，并带有与激光源102发射光束的偏振相平行的透射轴。

作为一种选择，也可以使用下述的元件：

-在激光源102与四分之一波长的板105之间放置中性滤波器104，以便于调整激光光束的功率；

-在激光源102与四分之一波长的板105之间放置倾斜的反射滤波器104，以便于反射部分的激光光束并由此调整其功率；

-放置第三光探测器108b，以便于记录由倾斜的反射滤波器104反射的光线，用于控制激光102的光功率。

需要注意的是，在有关图7到14描述的这些实施例中，光探测器108a，208a具有检测由小室106，206中存在气体的拉曼效应产生的拍频的功能，并因此是适用于检测微波的光探测器。第一光探测器108a具有集中在原子的谐振频率附近的非常窄的带宽，因而便于最大化其中的信号检测效率。高的原子共振频率(通常＞1GHz)意味着具有小尺寸的光探测器108a。这样的规格与由光探测器109，209和/或光探测器108b，208b进行操作的、为了调整例如小室的温度而与小室中原子相互作用的信号的检测不相兼容。对于后者，意味着低的截止频率(典型＜100kHz)，或甚至是DC的操作。这就是为什么最好具有至少两种探测器，一种108a用于检测时钟信号，而另一种109用于控制小室的温度。执行已与小室中原子相互作用的信号的第二种检测的理想方式是，使用半透明镜107用于反射，并如所示的在该镜之后放置光探测器109。有利地，镜107是凹面形状，如图14所示，凹面形状可用于将反射的光束聚焦到光探测器108a上。应当指出后一种光探测器是可选择的。

Claims (19)

1.一种手表，其包括原子振荡器，该原子振荡器包含用于检测由拉曼效应获得的拍频的系统。

2.根据权利要求1所述的手表，其中，所述原子振荡器包括激光源、含有铯或铷并且设置为便于接收所述激光源所发射的激光光束的小室、以及拍频检测系统，该拍频检测系统包括光探测器及放大器，其设置为便于接收由所述小室输出的激光光束，用以检测在由激光源输出以及穿过小室发送的光束与小室中的原子内的拉曼效应产生的光束之间的拍频。

3.根据权利要求1或2之一所述的手表，其包括低精度的附加振荡器，其中所述原子振荡器间歇地运行以便于调整该附加振荡器。

4.根据权利要求1-3之一所述的手表，其中所述原子振荡器不包括对其中的激光的频率控制。

5.根据权利要求1-4之一所述的手表，其包括用于原子振荡器的激光的电流源、双工器以及从频率检测系统到双工器的返回路径以允许检测系统检测的信号与激光发射电流的电流源相结合。

6.根据权利要求5所述的手表，其中频率检测系统是用于检测与拉曼效应产生的拍频相应的、具有集中在中心频率ω_C附近的窄光谱含量的信号i_PD的系统，其至少包含与光探测器连接的第一感应元件L1以及与光探测器并联的寄生电容C_IN，一起形成用于选择待检测的信号的共振电路，所述共振电路具有与中心频率ω_C相应的共振频率。

7.根据权利要求1-6之一所述的手表，其包括至少一个用于反射激光光束的镜，其使得信号在到达频率检测系统之前至少经历第二次穿过小室。

8.根据权利要求1-7之一所述的手表，其包括屏蔽外壳，在其中设置含有铯或铷的小室以便于允许在所述小室中以零磁场进行操作。

9.根据权利要求1-8之一所述的手表，其包括一加热器。

10.一种在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括检测由拉曼效应获得的拍频的步骤。

11.根据权利要求10所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括以下附加的步骤：

a.发送由激光源输出的激光光束穿过小室；以及

b.检测在由激光光源输出以及穿过小室发送的光束与小室中原子内的拉曼效应产生的光束之间的拍频。

12.根据权利要求11所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括将作为从小室的输出接收的微波信号返回到激光发射电流上，并且不包括对激光频率的反馈控制的步骤。

13.根据权利要求10-12之一所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括用于启动原子振荡器的方法，包括：

-在原子振荡器的开环模式中寻找最优的激光发射电流的第一阶段，以及

-启动原子振荡器的第二阶段，包含通过将作为从小室的输出接收的微波信号返回到激光发射电流而在闭环模式中运行原子振荡器。

14.根据权利要求13所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其中寻找最优的激光发射电流的第一阶段包含以下的步骤：

-设置原子振荡器于开环模式；

-扫描激光频率以及识别最大吸收点V_max及其相应的发射电流I_max，并且还识别与最大吸收点V_max关联的吸收峰的最小吸收点V_min及其相应的发射电流I_min；以及

-通过给I_min增加一定的阈值或通过从I_max中减去该值，确定初始的发射电流ILD，以便于设置在I_min；I_max区间之中并离开边界值I_min与I_max。

15.根据权利要求13和14之一所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其中启动原子振荡器的第二阶段包含以下步骤：

-通过将作为从小室的输出接收的微波信号返回把振荡器设置在闭环模式，用于控制激光发射电流；

-调整激光发射电流为预定值ILD；

-校验在输出端获得振荡器的共振现象；以及

-在振荡器非共振的情况下，通过预先定义的增量，微小地修改发射电流ILD，并且重复该步骤直到获得共振现象。

16.根据权利要求10-15之一所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括调整激光功率的步骤。

17.根据权利要求10-16之一所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括原子振荡器的温度反馈控制。

18.根据权利要求17所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括在40℃的温度或更低，或者在35℃的温度或更低来运签原子振荡器。

19.根据权利要求10-18之一所述的在手表内通过原子振荡器发射时间信号的方法，其包括测量原子振荡器的温度，使得能够根据所述温度校正由原子振荡器发射出的时间信号。

Images