CN102957425B - 激励原子跃迁装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激励原子跃迁装置和方法。装置包括频率源部、微波综合部和原子激励部；频率源部用于产生长期稳定的低频信号；微波综合部用于接收频率源部的低频信号，并结合微波综合部产生的短期稳定的低频信号，产生用于激励原子跃迁的激励信号；原子激励部用于接收激励信号并激励原子发生跃迁。本发明提供的激励原子跃迁装置和方法，可以提高激励原子跃迁的激励信号的频率稳定度。

Description

激励原子跃迁装置和方法

技术领域

本发明涉及计量技术，尤其涉及一种激励原子跃迁装置和方法。

背景技术

实验室型原子喷泉钟是利用原子一对能级的跃迁谱线，使激励原子跃迁的装置产生与原子能级跃迁谱线中心频率一致的激励信号，激励原子实现所需的能级跃迁，复现秒定义。

现有技术中，利用晶体振荡器为参考源，通过鉴相、环路滤波及相应的分频或倍频技术，将压控振荡器锁定在参考源上。但是，由于其运用晶体振荡器为参考源，受晶体振荡器本身技术指标的限制，该方法产生的激励原子跃迁的激励信号的频率稳定度无法达到时间频率基准的要求。

发明内容

本发明提供一种激励原子跃迁装置和方法，用以提高激励原子跃迁的激励信号的频率稳定度。

一方面，本发明提供一种激励原子跃迁装置，包括频率源部、微波综合部和原子激励部；

所述频率源部用于产生长期稳定的低频信号；

所述微波综合部用于接收所述频率源部的低频信号，并结合所述微波综合部产生的短期稳定的低频信号，产生用于激励原子跃迁的激励信号；

所述原子激励部用于接收所述激励信号并激励原子发生跃迁。

另一方面，本发明提供一种激励原子跃迁方法，包括：

产生长期稳定和短期稳定的中间控制信号；

根据所述中间控制信号产生用于激励原子跃迁的激励信号。

本发明提供的激励原子跃迁装置和方法，通过利用频率源部产生的长期稳定的低频信号和微波综合部产生的短期稳定的低频信号，实现产生具有长期稳定度和短期稳定度的激励原子跃迁的激励信号，提高了激励原子跃迁的激励信号的频率稳定度。

附图说明

图1为本发明激励原子跃迁装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明激励原子跃迁装置实施例二的结构示意图；

图3为本发明激励原子跃迁装置实施例三的结构示意图；

图4为本发明激励原子跃迁装置实施例四的结构示意图；

图5为本发明激励原子跃迁装置实施例五的结构示意图；

图6为本发明激励原子跃迁装置实施例六的结构示意图；

图7为本发明激励原子跃迁装置实施例七的结构示意图；

图8为本发明激励原子跃迁方法实施例一的流程图；

图9为本发明激励原子跃迁方法实施例二的流程图。

具体实施方式

图1为本发明激励原子跃迁装置实施例一的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的激励原子跃迁装置包括频率源部101、微波综合部102和原子激励部103。

频率源部101用于产生长期稳定的低频信号；微波综合部102用于接收频率源部101的低频信号，并结合微波综合部102产生的短期稳定的低频信号，产生用于激励原子跃迁的激励信号；原子激励部103用于接收激励信号并激励原子发生跃迁。

具体的，频率源部101可以采用氢钟等作为频率源，以提供具有良好长期稳定度的低频信号；微波综合部102接收频率源部101的低频信号，生成具有良好短期稳定度的低频信号，且将该低频信号的频率锁定到频率源部101输出信号的频率，再进一步的生成激励原子跃迁的激励信号，从而保证激励信号的频率具有长期稳定度和短期稳定度。

本实施例中，通过利用频率源部101产生的长期稳定的低频信号和微波综合部102产生的短期稳定的低频信号，实现产生具有长期稳定度和短期稳定度的激励原子跃迁的激励信号，提高了激励原子跃迁的激励信号的频率稳定度。

图2为本发明激励原子跃迁装置实施例二的结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供的激励原子跃迁装置不仅包括频率源部101、微波综合部102和原子激励部103，还包括误差校准部201。

误差校准部201的输入端与原子激励部103连接，误差校准部201的输出端与微波综合部102连接。误差校准部201用于根据原子跃迁几率计算微波综合部102产生的激励信号与原子谐振频率之间的误差值，并将误差值反馈给微波综合部102。

具体的，误差校准部201根据原子跃迁几率计算微波综合部102产生的激励信号与原子谐振频率之间的误差，并将误差值反馈给微波综合部102，微波综合部102根据误差校准部201反馈的误差值对输出频率进行调整，从而保证微波综合部102产生的原子跃迁激励信号的精确度。

本实施例中，微波综合部102通过利用误差校准部201反馈的激励信号与原子谐振频率之间的误差值，对产生的激励信号进行校准，实现输出激励原子跃迁的精确频率信号，提高了原子跃迁的准确度。

图3为本发明激励原子跃迁装置实施例三的结构示意图。如图3所示，如上所述的激励原子跃迁装置，其中，微波综合部102具体可以包括短稳频率单元301、第一频率合成单元302、第二频率合成单元303、第一混频器304和频率调理单元305。

短稳频率单元301的输入端与频率源部101的输出端连接、短稳频率单元301的输出端与第一频率合成单元302输入端连接，第一频率合成单元302、第二频率合成单元303的输出端与第一混频器304输入端连接，第一频率合成单元302、第一混频器304的输出端与频率调理单元305连接。

短稳频率单元301用于产生短期稳定的低频信号，频率源部101能够保证短稳频率单元301产生的低频信号长期稳定；第一频率合成单元302用于产生靠近所激励原子的谐振频率的激励信号；第二频率合成单元用于根据误差校准部201反馈的误差信号产生频率校准信号；频率调理单元305用于调理第一频率合成单元302和第二频率合成单元303的输出信号，生成激励原子跃迁的激励信号。

具体的，短稳频率单元301接收频率源部101产生的具有长期稳定度的低频信号，并生成同频率的具有短期稳定度的低频信号；第一频率合成单元302利用短稳频率单元301输出的低频信号，产生接近所激励原子的谐振频率的激励信号；第二频率合成单元303根据误差校准部201输出的反应当前激励信号与原子谐振频率误差值的误差信号，生成相应的低频调整信号，第一混频器304将第一频率合成单元302输出的高频信号和第二频率合成单元303输出的低频调整信号进行混频处理，输出到频率调理单元305；频率调理单元305将第一混频器304输出的高频信号通过与第一频率合成单元302输出的调理控制信号进行处理，生成最终的激励原子跃迁的激励信号。

本实施例中，微波综合部102通过将短稳频率单元301与频率源部101相结合，为激励原子跃迁装置提供了具有长期稳定度和短期稳定度的频率源信号，并进一步的通过频率调理单元305对第一混频器304输出的高频信号进行调理，实现输出具有较高稳定度和精确度的激励原子跃迁的激励信号，提高了原子跃迁的准确度。

图4为本发明激励原子跃迁装置实施例四的结构示意图。如图4所示，如上所述的激励原子跃迁装置，其中，短稳频率单元301包括依次连接的第二混频器401、放大低通器402、低频振荡器403和第一分配放大器404。

第一分配放大器404的输出端与第二混频器401输入端连接，频率源部101的输出端与第二混频器401输入端连接；第一分配放大器404的输出端与第一频率合成单元302连接。

第二混频器401用于对频率源部101和第一分配放大器404输出的低频信号进行频率混合，并检测两个低频信号的频率值偏差；放大低通器402用于将第二混频器401输出的频率信号进行功率放大并低通滤波；低频振荡器403用于产生短期稳定的低频信号，并根据放大低通器403输出的信号进行频率微调；第一分配放大器404用于将低频振荡器403输出的信号反馈给第二混频器401，并输出给第一频率合成单元302。

具体的，第二混频器401将频率源部101提供的低频信号源与短稳频率单元301的输出信号进行混频处理，得到两个信号的频率差值；放大低通器402将第二混频器401输出的频率误差信号放大和低通滤波后，作为控制信号输出到低频振荡器403；低频振荡器403用来生成具有良好稳定度的低频信号，可以采用晶振来实现，并根据来自放大低通器402的控制信号对输出信号频率进行微调，低频振荡器403输出的低频信号经第一分配放大器404功率放大，一路反馈给第二混频器401，一路输出到微波综合部102的第一频率合成单元302。

本实施例中，通过将短稳频率单元301输出信号与频率源部101输出信号的频率差值信号，经低通放大后作为控制低频振荡器403的频率调整信号，循环往复，实现将短稳频率单元301的输出信号频率锁定到频率源部101输出信号的频率，为激励原子跃迁装置提供了具有长期稳定度和短期稳定度的频率源信号。

图5为本发明激励原子跃迁装置实施例五的结构示意图。如图5所示，如上所述的激励原子跃迁装置，其中，第一频率合成单元302包括依次连接的倍频器501、第二分配放大器502和高频振荡器503。

倍频器501用于接收并放大第一分配放大器404输出的低频信号；第二分配放大器502用于将倍频器501输出的高频信号分配给高频振荡器503和频率调理单元305；高频振荡器503用于产生靠近原子谐振频率的高频信号。

具体的，倍频器501将来自短稳频率单元301的低频信号倍频到一个合适的高频频率，第二分配放大器502将来自倍频器501的高频信号一路输出给微波综合部102的频率调理单元305，一路输出给第一频率合成单元302的高频振荡器503，高频振荡器503进一步生成接近原子谐振频率的高频信号，后续经频率调理单元305调理后输出激励原子跃迁的激励信号。

本实施例中，通过将短稳频率单元301输出的低频信号倍频到一个合适的高频频率，再经第二分配放大器502的作用，一路经高频振荡器503生成接近原子谐振频率的高频信号，一路作为频率调理单元305的控制信号，实现输出具有较高精确度的激励原子跃迁的激励信号，提高了原子跃迁的准确度。

图6为本发明激励原子跃迁装置实施例六的结构示意图。如图6所示，如上所述的激励原子跃迁装置，其中，第二频率合成单元303包括频率合成器601，频率合成器601用于接收误差校准部的误差信号并产生反应误差数值的频率信号。

具体的，第二频率合成单元303主要由频率合成器601组成，频率合成器601根据误差校准部201反馈的激励信号与原子谐振频率之间的误差值，生成可以反映该误差数值的频率信号。在实际应用中，误差校准部201可以反馈给第二频率合成单元303反应激励信号频率与原子谐振频率之间的误差值的数字信号或者模拟信号，相应的，频率合成器601可以采用数字频率合成器实现或者采用模拟电路实现。

本实施例中，第二频率合成单元303的频率合成器601通过将误差校准部201反馈的激励信号频率与原子谐振频率之间的误差值转换成反映该误差数值的频率信号，并进一步的通过第一混频器304对第一频率合成单元302的输出频率进行微调，实现根据误差校准部201输出的误差值对第一混频器304的输出频率进行调整，提高了微波综合部102输出的激励原子跃迁的激励信号的精确度。

图7为本发明激励原子跃迁装置实施例七的结构示意图。如图7所示，如上所述的激励原子跃迁装置，其中，频率调理单元305包括两路功分器701、功率衰减器702、信号合成器703、移相器704、PIN开关705和第三混频器706。

两路功分器701的一路与功率衰减器702和信号合成器703依次连接，另一路功分器与移相器704和PIN开关705依次连接，PIN开关705与信号合成器703连接；第三混频器706输入端与第一混频器304和信号合成器703的输出端连接，第三混频器706的输出端与原子激励部103的输入端连接。

两路功分器701用于将第二分配放大器502输出的信号进行功率放大并分配给功率衰减器702和移相器704；功率衰减器702用于衰减接收的信号；移相器704用于对信号进行移相；PIN开关705用于接收TTL电平，控制信号通道的开启或关闭；信号合成器703用于合成功率衰减器702和PIN开关705输出的信号。

在激励原子跃迁装置的实际应用中，由于原子激励部103的每个工作周期内，原子将两次经过微波激励腔与微波发生作用，要求微波综合部102可以在每个工作周期内仅打开两次，其余时间关闭，以减少微波泄漏的影响。

具体的，两路功分器701将来自第一频率合成单元302的倍频信号进行功率放大和分配，一路输出到功率衰减器702，一路输出到移相器704。功率衰减器702将来自两路功分器701的信号衰减到信号合成器703的正常工作电压，移相器704将来自两路功分器701的频率信号进行移相，PIN开关705利用计算机机输出的TTL(Transistor-Transistor Logic,晶体管-晶体管逻辑)电平实现控制射频信号通道的开启与关断，信号合成器703将来自功率衰减器702和PIN开关705的信号进行信号合成，当PIN开关705合上时，调整移相器704，使信号合成器703两端的输入端信号抵消，无信号输出，当PIN开关705开启时，移相器704端的信号被切断，信号合成器703输出未经移相的频率信号。第三混频器706将来自第一混频器304和信号合成器703的信号混频，生成具有一致性相位特性的微波信号。

本实施例中，通过利用频率调理单元305生成微波干涉开关信号，避免了控制开关信号引起的附加相位，实现了原子跃迁激励信号的一致性和稳定性，提高了原子跃迁的准确度。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合图7，以激励9.19GHz的铯原子跃迁为例介绍本发明激励原子跃迁装置的一个优选实施例。激励其它原子跃迁的情形与激励铯原子跃迁的情形类似，因此本发明并不限制于此。

在本实施例中，频率源部101采用5MHz的氢钟作为频率源，低频振荡器403采用具有良好短期稳定度的5MHz晶振来实现，并根据来自放大低通器402的控制信号对输出频率进行微调。

第二混频器401将频率源部101输出的5MHz信号与短稳频率单元301中的第一分配放大器404输出的5MHz信号进行混频以得到两个信号的频率差值。在通过放大低通器402的低通放大之后，作为频率调整信号控制低频振荡器403的频率生成的控制信号，周而复始，从而将短稳频率单元301生成的频率信号锁定到频率源部101输出信号的频率，从而保证了所生成的频率信号的长期和短期稳定度特性。

在本实施例中，倍频器501采用了20倍频的方案。高频振荡器503采用了DRO(DRO,介质谐振振荡器)的技术方案，工作频率为9.3GHz，接近铯原子的跃迁频率9.19GHz。倍频器501将短稳频率单元301输出的低频信号20倍频到100MHz，通过第二分配放大器502一路输出到频率调理单元305，一路输出到工作在9.3GHz的高频振荡器503，高频振荡器503输出频率在9.2GHz附近的高频信号，接近铯原子的跃迁频率9.19GHz。

在本实施例中，第二频率合成单元303，采用了数字频率合成器DDS的实现方案，该DDS工作在7.368MHz。第一混频器304将第一频率合成单元302输出的9.3GHz高频信号与第二频率合成单元303输出的7.368230MHz低频调整信号通过混频，生成两者频率差值的高频信号9292631770Hz，输出到频率调理单元305。频率调理单元305对第一混频器304输出的高频信号进行调理后生成最终的原子跃迁激励信号。

本实施例中，两路功分器701的输入信号的频率为100MHz，功分器第二输出端(90度移相端)接射频移相器704，射频移相器704的压控调相范围是0度～220度，电压调节范围是0V～12V。100MHz的频率信号移相后接PIN开关705后，与两路功分器701第一输出端经信号合成器703输出频率为100MHz的信号。调节移相器704，使信号合成器703输入两端的100MHz信号相位相差180度，TTL电平控制PIN开关705从而控制移相器704的信号输出。信号合成器703输入端未移相端信号是连续输出的，只是当PIN开关705合上时，信号合成器703两输入端频率为100MHz的信号相抵消，无信号输出，从而信号合成器703与第一混频器304经第三混频器706混频后，输出频率为9292631770Hz的高频信号，此信号频率远离铯原子的跃迁频率。

当PIN开关705打开，移相器704的信号被切断，信号合成器703输出未移相的100MHz的频率信号，信号合成器703与第一混频器304经第三混频器706混频后，输出频率为9192631770Hz激励铯原子跃迁的高频信号。重复上述动作，可以看出，激励原子跃迁装置中的铯原子在原子激励部103的每个工作周期内，两次经过微波激励腔与微波发生作用时感受到的激励信号是未间断的同一路信号，不存在相位扰动的问题。

本实施例中，激励铯原子跃迁的装置，通过第一频率合成单元302对短稳频率单元301输出的5MHz信号20倍频为100MHz信号，再经分配放大后产生两路相互隔离的100MHz频率信号，一路输出作为9.3GHz高频振荡器503的参考信号输入，使高频振荡器503输出标准的9.3GHz频率信号，再与第二频率合成单元303输出的7.368MHz误差调整信号混频，第一混频器304射频端输出的9.292GHz信号，经隔离放大后与频率调理单元305输出的信号混频滤波后，得到精确的9.192631770GHz的铯原子跃迁频率信号。

本实施例中各器件的参数都是根据本实例的9.19GHz铯原子的激励信号所作的优化选择。在激励其它原子时，本领域的技术人员可以根据具体情况优化选择各器件的参数。

图8为本发明激励原子跃迁方法实施例一的流程图。如图8所示，本实施例的方法可以包括：

S801、产生长期稳定和短期稳定的中间控制信号。

具体的，可以采用氢钟等作为频率源，以提供具有良好长期稳定度的低频控制信号，进一步的，可以利用具有长期稳定性的低频控制信号生成同频率的具有短期稳定度的低频信号，其实现方式可以通过低频振荡器、混频器等。

S802、根据中间控制信号产生用于激励原子跃迁的激励信号。

具体的，根据具有长期稳定和短期稳定的中间控制信号生成激励原子跃迁的激励信号，从而保证激励信号的频率具有长期稳定度和短期稳定度，其实现方式可以通过高频振荡器、混频器等。

本实施例中，通过利用具有长期稳定度的低频控制信号生成同频率的具有短期稳定度的低频信号，实现产生具有长期稳定度和短期稳定度的激励原子跃迁的激励信号，提高了激励原子跃迁的激励信号的频率稳定度。

图9为本发明激励原子跃迁方法实施例二的流程图。如图9所示，在图8所示本发明激励原子跃迁方法实施例一的基础之上，激励原子跃迁装置还可以首先生成靠近原子谐振频率的激励信号，然后再进一步的产生用于激励原子跃迁的激励信号，因此，在产生长期稳定和短期稳定的中间控制信号之后还还可以包括下述操作：

S901、生成靠近原子谐振频率的激励信号。

具体的，根据具有长期稳定和短期稳定的中间控制信号，可以通过高频振荡器等实现方式生成靠近原子谐振频率的激励信号。

S902、根据原子跃迁频率的偏差生成用于调整激励信号的调整信息。

具体的，可以根据原子跃迁几率计算激励信号频率与原子谐振频率之间的误差，并根据误差值生成调整激励信号的调整信息。

S903、根据调整信息对激励原子跃迁的激励信号进行调理。

具体的，可以通过反应激励信号频率与原子谐振频率误差值的频率信号对激励信号进行校准，以产生具有良好稳定度和精确度的激励信号。

本实施例中，通过具有长期稳定和短期稳定的中间控制信号生成靠近原子谐振频率的激励信号，再进一步的对产生的激励信号进行校准，实现输出激励原子跃迁的精确频率信号，提高了原子跃迁的准确度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种激励原子跃迁装置，其特征在于，包括频率源部、微波综合部和原子激励部；

所述频率源部用于产生长期稳定的低频信号；

所述微波综合部用于接收所述频率源部的低频信号，并结合所述微波综合部产生的短期稳定的低频信号，产生用于激励原子跃迁的激励信号；

所述原子激励部用于接收所述激励信号并激励原子发生跃迁；

所述激励原子跃迁装置还包括误差校准部，所述误差校准部的输入端与所述原子激励部连接，所述误差校准部的输出端与所述微波综合部连接；

所述误差校准部用于根据原子跃迁几率计算所述微波综合部产生的激励信号与原子谐振频率之间的误差值，并将所述误差值反馈给所述微波综合部；

所述微波综合部包括短稳频率单元、第一频率合成单元、第二频率合成单元、第一混频器和频率调理单元；

所述短稳频率单元的输入端与所述频率源部的输出端连接、所述短稳频率单元的输出端与所述第一频率合成单元输入端连接，所述第一频率合成单元、第二频率合成单元的输出端与所述第一混频器输入端连接，所述第一频率合成单元、第一混频器的输出端与所述频率调理单元连接；

所述短稳频率单元用于接收所述频率源部产生的具有长期稳定度的低频信号，并生成同频率的具有短期稳定度的低频信号；

所述第一频率合成单元用于利用所述短稳频率单元输出的低频信号，产生接近所激励原子的谐振频率的激励信号；

所述第二频率合成单元用于根据所述误差校准部输出的反应当前激励信号与原子谐振频率误差值的误差信号，生成相应的低频调整信号；

所述第一混频器用于将所述第一频率合成单元输出的高频信号和所述第二频率合成单元输出的低频调整信号进行混频处理，输出到所述频率调理单元；

所述频率调理单元用于将所述第一混频器输出的高频信号通过与所述第一频率合成单元输出的调理控制信号进行处理，生成最终的激励原子跃迁的激励信号。

2.根据权利要求1所述的激励原子跃迁装置，其特征在于，所述短稳频率单元包括依次连接的第二混频器、放大低通器、低频振荡器和第一分配放大器；所述第一分配放大器的输出端与所述第二混频器输入端连接，所述频率源部的输出端与所述第二混频器输入端连接；所述第一分配放大器的输出端与所述第一频率合成单元连接；

所述第二混频器用于对所述频率源部和第一分配放大器输出的低频信号进行频率混合，并检测两个低频信号的频率值偏差；

所述放大低通器用于将所述第二混频器输出的频率信号进行功率放大并低通滤波；

所述低频振荡器用于产生短期稳定的低频信号，并根据所述放大低通器输出的信号进行频率微调；

所述第一分配放大器用于将所述低频振荡器输出的信号反馈给所述第二混频器，并输出给所述第一频率合成单元。

3.根据权利要求2所述的激励原子跃迁装置，其特征在于，所述第一频率合成单元包括依次连接的倍频器、第二分配放大器和高频振荡器；

所述倍频器用于接收并放大所述第一分配放大器输出的低频信号；

所述第二分配放大器用于将所述倍频器输出的高频信号分配给高频振荡器和所述频率调理单元；

所述高频振荡器用于产生靠近原子谐振频率的高频信号。

4.根据权利要求1或2所述的激励原子跃迁装置，其特征在于，所述第二频率合成单元包括频率合成器；

所述频率合成器用于接收所述误差校准部的误差信号并产生反应误差数值的频率信号。

5.根据权利要求3所述的激励原子跃迁装置，其特征在于，所述频率调理单元包括两路功分器、功率衰减器、信号合成器、移相器、PIN开关和第三混频器；

一路功分器与所述功率衰减器和信号合成器依次连接，另一路功分器与所述移相器和PIN开关依次连接，所述PIN开关与所述信号合成器连接；

所述两路功分器用于将所述第二分配放大器输出的信号进行功率放大并分配给所述功率衰减器和移相器；

所述功率衰减器用于衰减接收的信号；

所述移相器用于对信号进行移相；

所述PIN开关用于接收TTL电平，控制信号通道的开启或关闭；

所述信号合成器用于合成所述功率衰减器和PIN开关输出的信号；

所述第三混频器输入端与所述第一混频器和信号合成器的输出端连接，所述第三混频器的输出端与所述原子激励部的输入端连接。