CN102799103B - 具有高对比度鉴频信号的铷原子钟 - Google Patents
具有高对比度鉴频信号的铷原子钟 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有高对比度鉴频信号的铷原子钟，其构成包括受控晶振、倍频综合器、调制振荡器、直流放大器、量子系统和相检波器，通过在所述的扩束器和所述的物理装置之间的光路上放置第一格兰泰勒棱镜，在所述的物理装置和所述的光电探测器之间放置第二格兰泰勒棱镜，并且第一格兰泰勒棱镜与第二格兰泰勒棱镜成正交放置。本发明将透射背景光强滤除，并且消除了一阶光频移，提高鉴频信号的对比度和铷原子钟的性能。本发明为卫星导航、通信、精密测量提供了高性能的原子钟。
Description
技术领域
本发明涉及被动型光抽运气泡式铷原子钟，特别是一种具有高对比度鉴频信号的铷原子钟。
背景技术
原子钟的发展历史最早可以追溯到第二次世界大战前后。其主要得益于当时量子力学和微波波谱学的快速发展。早期的微波钟使用的是非相干光源做抽运光和探测光，其后随着激光器的发展，激光选态和检测方法被应用到原子钟研究以期得到更好的效果。铷原子频标由于短期稳定度高，体积小巧，便于携带的特点而得到了广泛的应用。现有的光抽运铷原子频标一般采用三能级结构，如图1所示。（参考文献： J. Vanier & C. Mandache. The passive optically pumped Rb frequency standard: the laser approach. Appl. Phys. B 87,565-593(2007)） 一般地，当原子钟使用87Rb原子介质时，利用激光01和微波诱导跃迁02双共振技术。当能级03（|5S1/2 , F=2>）上的原子被抽空以后，原子气体就不再吸收激光01了。这时再加上微波, 使原子在能级03和能级04（|5S1/2 , F=1>）之间发生磁共振跃迁。跃迁过程使一部分原子被抽运到能级03上，造成能级03上原子布居数的改变，从而吸收激光01使原子跃迁到激发态05上。最终透过原子气体的激光01由于被吸收而导致透射光强发生变化。能级03上的原子布居数随着微波拉比（Rabi）频率的改变而改变，进而对激光01的吸收也改变。因此，通过改变微波的失谐来改变微波的拉比频率，使激光01通过原子气体时被吸收，形成共振吸收线。该吸收谱线代表微波诱导跃迁02的共振谱线。它可以作为原子频标中鉴频用的标准谱线。
现有的非自激型原子钟的结构环路方框图如图2所示。（参考文献：王义遒，王庆吉， 傅济时，董太乾 量子频标原理 第四章 p239 北京 科学出版社 1986）其原理是受控晶振1的第一输出端提供标准频率输出。受控晶振1的第二输出端提供激励并输出到倍频综合器2到第一输入端。调制振荡器3通过第一输出端把基频信号输出到倍频综合器2的第二输入端。 倍频综合器2的第二输入端得到的信号对倍频综合器2的第一输入端得到的信号进行调制，从而使激励跃迁频率有一个小调频，并从倍频综合器2的输出端输出到量子系统5。调制振荡器3的第二输出端提供基波频率给相检波器6的第一输入端。如果倍频综合器2的输出端输出的激励信号的频率和量子系统5本身的跃迁谱线中心频率不相等时，量子系统5将两者的频率差变换为误差信号，并通过量子系统5的输出端输出到相检波器6的第二输入端。此时工作于基波频率的相检波器6将量子系统5输出的误差电压转变为一定极性的直流纠偏电压，再由输出端输出到直流放大器4的输入端。直流放大器4将相检波器6输出的直流纠偏电压加以处理，然后由输出端输出到受控晶振1的输入端，以调整其频率。倍频综合器2的输出端输出的激励信号的频率和量子系统5本身的跃迁谱线中心频率相等时，量子系统5的输出电压频率为调制频率的两倍，由量子系统5的输出端输出到相检波器6的输入端，经过基波鉴相后不产生纠偏电压。
所述的量子系统5的结构框图如图3所示，其构成包括半导体激光器51，沿该半导体激光器51的输出方向依次是隔离器53，扩束器54，物理装置50和光电探测器516。所述的物理装置50所需的微波场是由微波发生器510通过耦合环511馈入到微波腔512产生的。微波发生器510信号来自于所述的倍频综合器2的输出端。在微波的作用下，原子发生磁偶极跃迁，即钟跃迁。光束52经过已经发生钟跃迁的原子气体以后，将被吸收。随着微波拉比频率的改变，透射光光强跟着改变。被光电探测器516探测后得到原子钟的鉴频吸收谱线，并输出到相检波器6的输入端。
评价原子钟的性能指标主要是阿兰方差。根据阿兰方差的定义，可知原子钟的性能主要取决于吸收谱线的对比度。现有的非自激型原子钟的一个缺点是吸收谱线的信号对比度不够高。比如，已报道的微波光双共振技术原子钟能够得到的最好的信号对比度不超过30%。（参考文献：Micalizio, S., Calosso, C., Godone, A.& Levi, F. Metrological characterization of the pulsed Rb clock with optical detection. Metrologia 49, 425–436(2012)）这是限制被动型光抽运型气泡室铷原子钟性能提高的一个因素。并且，影响光抽运型气泡室铷原子钟的另一个重要缺点是存在光频移。抽运光是频率很高的电磁场，它作用在原子上会产生斯塔克效应和塞曼效应。从而在抽运光的作用下，原子能级产生移动，即光频移。光频移的存在影响了原子钟性能的提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有高对比度鉴频信号的铷原子钟。该铷原子钟应可将透射背景光强滤除，并且消除了一阶光频移，提高鉴频信号的对比度和铷原子钟的性能。本发明为卫星导航、通信、精密测量提供了高性能的原子钟。
本发明的技术解决方案如下：
一种具有高对比度鉴频信号的铷原子钟，其构成包括受控晶振、倍频综合器、调制振荡器、直流放大器、量子系统和相检波器，上述部件的连接关系如下：
所述的受控晶振的输入端与所述的直流放大器的输出端相连，所述的受控晶振第一输出端提供标准频率输出，所述的受控晶振第二输出端与所述的倍频综合器的第一输入端相连；
所述的倍频综合器的第一输入端与所述的受控晶振的第二输出端相连，所述的倍频综合器的第二输入端与所述的调制振荡器的第一输出端相连，所述倍频综合器的输出端与所述的量子系统的输入端相连；
所述的调制振荡器的第一输出端与所述的倍频综合器第二输入端相连，所述的调制振荡器第二输出端与所述的相检波器第二输入端相连；
所述的相检波器的第一输入端与所述的量子系统输出端相连，所述的相检波器的第二输入端与所述的调制振荡器的第二输出端相连；
所述的直流放大器的输入端与所述的相检波器的输出端相连，所述的直流放大器的输出端与所述的受控晶振的输入端相连；
所述的量子系统的输入端与所述的倍频综合器的输出端相连，所述的量子系统输出端与所述的相检波器的第一输入端相连；
所述的量子系统的构成包括半导体激光器，沿该半导体激光器的输出方向依次是隔离器，扩束器，物理装置和光电探测器，其特征在于：在所述的扩束器和物理装置之间的光路上设有第一格兰泰勒棱镜，在所述的物理装置和所述的光电探测器之间设有第二格兰泰勒棱镜，并且所述的第一格兰泰勒棱镜与所述的第二格兰泰勒棱镜成正交放置。
本发明的技术效果如下：
所述的第一格兰泰勒棱镜与所述的第二格兰泰勒棱镜的作用如下：
光束经过所述的第一格兰泰勒棱镜后成为线偏振光。所述的物理装置里面分布有纵向磁场。所述的线偏振光射入到所述的物理装置时，可以分解为强度相等，旋性相反的左旋偏振光和右旋偏振光。所述的物理装置内的原子气体对所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光的吸收相等，色散相反。所述的线偏振光射出所述的物理系统后变成椭圆偏振光。所述的椭圆偏振光经过所述的第二格兰泰勒棱镜的检偏作用，得到信号。
首先是得到了90%的信号对比度，效果比目前国际上得到的30%的对比度大3倍，对应于原子钟的性能提高3倍；其次是将光的背景滤除，减小光强抖动的影响和降低探测信号混入的噪声；再次是通过加入所述的第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜，使所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光造成的一阶光频移相互抵消，从而提高原子钟的稳定度；最后由于探测的信号主要是由于原子对光的相位的改变不同引起的，比吸收法的探测灵敏度提高一个数量级。
附图说明
图1是光抽运铷原子频标采用的三能级结构示意图。
图2是原子钟的环路框图。
图3是现有原子钟的量子系统结构图。
图4是本发明的量子系统结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2是原子钟的环路框图。由图可见，本发明的构成包括受控晶振1、倍频综合器2、调制振荡器3、直流放大器4、量子系统5和相检波器6，上述部件的连接关系如下：
所述的受控晶振1的输入端与所述的直流放大器4的输出端相连，所述的受控晶振1第一输出端提供标准频率输出，所述的受控晶振1第二输出端与所述的倍频综合器2的第一输入端相连；
所述的倍频综合器2的第一输入端与所述的受控晶振1的第二输出端相连，所述的倍频综合器2的第二输入端与所述的调制振荡器3的第一输出端相连，所述倍频综合器2的输出端与所述的量子系统5的输入端相连；
所述的调制振荡器3的第一输出端与所述的倍频综合器2第二输入端相连，所述的调制振荡器3第二输出端与所述的相检波器6第二输入端相连；
所述的相检波器6的第一输入端与所述的量子系统5输出端相连，所述的相检波器6的第二输入端与所述的调制振荡器3的第二输出端相连；
所述的直流放大器4的输入端与所述的相检波器6的输出端相连，所述的直流放大器4的输出端与所述的受控晶振1的输入端相连；
所述的量子系统5的输入端与所述的倍频综合器2的输出端相连，所述的量子系统5输出端与所述的相检波器6的第一输入端相连；
图4是本发明的量子系统5的结构图。由图可见，所述的量子系统5的构成包括半导体激光器51，沿该半导体激光器51的输出方向依次是隔离器53，扩束器54，物理装置50和光电探测器516，在所述的扩束器54和物理装置50之间的光路上设有第一格兰泰勒棱镜55，在所述的物理装置50和所述的光电探测器516之间设有第二格兰泰勒棱镜57，并且所述的第一格兰泰勒棱镜55与所述的第二格兰泰勒棱镜57成正交放置。
所述的第一格兰泰勒棱镜55与所述的第二格兰泰勒棱镜57的作用如下：
光束52经过所述的第一格兰泰勒棱镜55后成为线偏振光56。所述的物理装置50里面分布有磁场线圈513，提供纵向横场。所述的线偏振光56射入到所述的物理装置50时，可以分解为强度相等，旋性相反的左旋偏振光和右旋偏振光。所述的物理装置50内的原子气体对所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光的吸收相等，色散相反。所述的线偏振光56射出所述的物理系统50后变成椭圆偏振光515。所述的椭圆偏振光515经过所述的第二格兰泰勒棱镜57的检偏作用，得到信号。
所述的物理装置50包括磁屏蔽桶58，原子气室59，微波腔512，螺旋磁场线圈513和加热线圈514。上述部件的连接关系如下：
所述的原子气室59内部充满铷原子，放置于所述的微波腔512内。所述的螺旋磁场线圈513缠绕在所述的微波腔512外，提供纵向磁场。所述的螺旋磁场线圈513放置于所述的磁屏蔽桶58内。所述的磁屏蔽桶58用于屏蔽周围环境的磁场。所述的加热线圈514贴在所述的磁屏蔽桶58的外壁上，用于加热所述的物理系统50。
本发明用于提高被动型气泡式铷原子原子钟的性能。实验表明它可以提高探测灵敏度一个量级以上，并得到信号对比度为90%的鉴频曲线，比现有常用吸收法得到的信号对比度提高3倍，对应于原子钟的短期稳定度提高3倍。本发明还可以通过加入所述的第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜，使所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光造成的一阶光频移相互抵消，从而消除一阶光频移的影响，进一步提高原子钟的性能。
Claims (1)
1.一种具有高对比度鉴频信号的铷原子钟，其构成包括受控晶振（1）、倍频综合器（2）、调制振荡器（3）、直流放大器（4）、量子系统（5）和相检波器（6），上述部件的连接关系如下：
所述的受控晶振（1）的输入端与所述的直流放大器（4）的输出端相连，所述的受控晶振（1）第一输出端提供标准频率输出，所述的受控晶振（1）第二输出端与所述的倍频综合器（2）的第一输入端相连；
所述的倍频综合器（2）的第一输入端与所述的受控晶振（1）的第二输出端相连，所述的倍频综合器（2）的第二输入端与所述的调制振荡器（3）的第一输出端相连，所述倍频综合器（2）的输出端与所述的量子系统（5）的输入端相连；
所述的调制振荡器（3）的第一输出端与所述的倍频综合器（2）第二输入端相连，所述的调制振荡器（3）第二输出端与所述的相检波器（6）第二输入端相连；
所述的相检波器（6）的第一输入端与所述的量子系统（5）输出端相连，所述的相检波器（6）的第二输入端与所述的调制振荡器（3）的第二输出端相连；
所述的直流放大器（4）的输入端与所述的相检波器（6）的输出端相连，所述的直流放大器（4）的输出端与所述的受控晶振（1）的输入端相连；
所述的量子系统（5）的输入端与所述的倍频综合器（2）的输出端相连，所述的量子系统（5）输出端与所述的相检波器（6）的第一输入端相连；
所述的量子系统（5）的构成包括半导体激光器（51），沿该半导体激光器（51）的输出方向依次是隔离器（53），扩束器（54），物理装置（50）和光电探测器（516），其特征在于：在所述的扩束器（54）和物理装置（50）之间的光路上设有第一格兰泰勒棱镜（55），在所述的物理装置（50）和所述的光电探测器（516）之间设有第二格兰泰勒棱镜（57），并且所述的第一格兰泰勒棱镜（55）与所述的第二格兰泰勒棱镜（57）成正交放置；
所述的物理装置（50）包括磁屏蔽桶（58），原子气室（59），微波腔（512），螺旋磁场线圈（513）和加热线圈（514），上述部件的连接关系如下：
所述的原子气室（59）内部充满铷原子，放置于所述的微波腔（512）内，所述的螺旋磁场线圈（513）缠绕在所述的微波腔（512）外，提供纵向磁场，所述的螺旋磁场线圈（513）放置于所述的磁屏蔽桶（58）内，所述的磁屏蔽桶（58）用于屏蔽周围环境的磁场，所述的加热线圈（514）贴在所述的磁屏蔽桶（58）的外壁上，用于加热所述的物理系统（50），所述的物理装置（50）所需的微波场是由微波发生器（510）通过耦合环（511）馈入到微波腔（512）产生的。
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