CN103199860B - 喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法 - Google Patents

Abstract

一种喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法，通过改变引起喷泉钟频移的物理量，使喷泉钟交叉工作在参量改变前和参量改变后两种工作状态，分别采集鉴频信号，通过数据处理，实现喷泉钟自比对法不确定度评估。本发明无需外部参考钟及比相仪，避免了由于参考钟遇到故障对评估工作造成影响的风险，消除了传统比对法中由外部参考钟自身频率漂移对喷泉钟的影响，提高了频移不确定度的评估精度。

Description

喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法

技术领域

本发明涉及喷泉原子钟，特别是一种喷泉原子钟（以下简称喷泉钟）频率不确定度的自比对评估方法。

背景技术

原子钟是时间的计量仪器。其工作原理是本地振荡器1a输出微波信号一路经过倍频之后输入原子钟微波腔4b与原子作用，原子系统起到鉴频器的作用，原子的跃迁几率差反映了误差信号的大小，将误差信号变化成电压信号后通过伺服控制5a锁定本振1a，本振1a输出的另一路频率信号即作为原子频标信号，通过修正和处理得到精准的时间信号。

原子钟的瞬态输出频率可以写为：v(t)＝v₀(1+ε+y(t))，其中v₀对应原子在无干扰条件下跃迁频率，ε是相对频率偏移，由不同偏移成分εⁱ构成，ε＝Σ_iεⁱ，y(t)表征相对频移起伏，它的长期统计特性反映了钟频率的稳定度，及不确定度置信水平。由外部不同物理因素引起的原子钟频移及频移不确定度评估是原子钟研究的重要工作。

传统的原子钟频移及频移不确定度评估方法(请参见图2)需要外部参考钟2c和外部比相仪5c参与原子钟1c的评估过程。原子钟1c输出的标准频率信号3c与氢钟2c输出的标准频率信号4c同时输入比相仪5c得到误差信号6c。重复上述过程一段时间，获得一组误差频率信号后，对记录的数据做误差分析7c。

传统原子钟频移及频移不确定度评估过程必需外部参考钟2c和比相仪5c，增加了评估工作的难度，实际实验过程中如遇到参考钟2c出问题，会严重影响后续评估工作的进行。另一方面，传统评估方法所得到的频移不确定度评估结果精度受到参考钟性能影响，阿兰方差是参考钟与原子钟的总体结果，氢钟长期运行过程存在频率漂移，限制了频移不确定度的评估精度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种喷泉原子钟频率不确定度的自比对评估方法，该方法不需要外部参考钟及比相仪，避免了由于参考钟遇到故障对评估工作造成影响的风险，消除了传统比对法中由外部参考钟自身频率漂移对喷泉钟的影响，使频移不确定度评估精度提高。

本发明的具体方案如下：

一种喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法，其特点征在于该方法包括以下步骤：

①开启喷泉原子钟获得标准频率信号输出；

②喷泉原子钟标准运行：通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔输入的微波脉冲为π/2脉冲，在该π/2微波脉冲条件下，有铷源上抛的铷87原子经过冷却区、选态区、探测区进入微波腔第一次与π/2微波脉冲作用，然后自由上抛飞行下落，又进入微波腔，第二次与π/2微波脉冲作用，在探测区得到探测原子能级布局数，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν₁，通过伺服反馈环路锁定参考晶振，一个喷泉原子钟标准运行过程持续时间为3.5s；

③喷泉原子钟参量改变运行：喷泉钟标准运行过程结束后，通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔输入的微波脉冲为3π/2脉冲，铷源上抛的铷87原子经过冷却区、选态区、探测区，在所述的微波腔第一次与3π/2微波脉冲作用，然后经自由上抛飞行下落，在微波腔第二次与3π/2微波脉冲作用，在探测区得到探测原子能级布局数，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν’₁，记录该误差信号，注意此过程误差信号Δν’₁不反馈给原子钟参考晶振，一个喷泉原子钟参量改变运行过程持续时间也为3.5s；

④重复上述步骤②③共n－1次，喷泉原子钟交替工作在标准运行和参量改变运行，得到一组标准运行误差信号Δν₁，Δν₂……Δν_n和一组参量改变运行误差信号数据Δν’₁，Δν’₂……Δν’_n；

⑤求参量改变运行过程误差信号的时间平均频率偏移：

<Δ’ν>=(Δν’₁+Δν’₂+……+Δν’_n)/3.5n；

⑥对参量改变运行过程误差信号Δν’₁，Δν’₂……Δν’_n按下列公式作阿兰方差分析：

${\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{1}{{2\mathrm{\&tau;}}^2}{\mathrm{\&Sigma;}}_1^{N-1}{(y_{k+1}-y_k)}^2,$

其中N=n，τ表示误差信号间隔时间，绘制阿兰标准差σ_y随时间的变化曲线，获得频移不确定度置信区间σ_y，该σ_y即是衡量频移不确定度评估精度。

所述的在探测区得到原子能级布局数是指利用基于原子飞行时间法的双能级荧光探测法，分别探测处于上下能级的原子与探测光作用产生的荧光光子数，正比于上下能级原子数，由光电管将荧光信号变成电压信号输出，探测得到原子的跃迁几率为P＝N₂/(N₁+N₂)，其中N₂为处于上能级的原子数，正比于探测光与上能级原子作用产生的荧光光子数；N₁为处于下能级的原子数，正比于探测光与下能级原子作用产生的荧光光子数；N₁+N₂为原子总数。

所述的由输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν₁及Δν’₁是指由上述荧光探测法探测到的跃迁几率P，及其与微波失谐Δ的关系计算得到的误差频率信号Δν₁及Δν’₁，其中：Δ=2π Δν₁，T是原子自由飞行时间，则

本发明的技术效果如下：

1、本发明由于无需外部参考钟、比相仪，使频移及频移不确定度评估工作的实现难度降低。避免了由于参考钟遇到故障对评估工作造成影响的风险。

2、本发明由于无需外部参考钟（氢钟），消除了传统比对法中由外部参考钟自身频率漂移对喷泉钟的影响，使频移不确定度评估精度提高。

3、本发明由于喷泉原子钟标准运行过程和参量改变运行过程是同一台原子钟交替运行的两种状态过程，两个过程中对频移及频移不确定度造成影响的部分物理因素（如引力效应、黑体辐射效应）相同，误差信号中这些因素造成的频移及频移不确定度分量相互抵消，使得频移不确定度评估精度提高。

附图说明

图1是原子频标原理框图。

图2是原子钟不确定度评估的传统法流程图。

图3是喷泉原子钟结构框图。

图4是本发明喷泉原子钟频率不确定度自比对评估方法流程图。

图5是分别用传统比对法与自比对法进行原子钟评估的实验结果比较。其中1f为氢钟状态比较好的一段时间内喷泉钟与氢钟的比对结果，2f为本发明喷泉钟的自比对结果，3f为拟合曲线，4f为将三条曲线放在一起的吻合情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

先请参阅图4，图4是本发明本发明喷泉原子钟频率不确定度自比对评估方法流程图，由图可见，本发明原子喷泉钟频移不确定评估自比对方法的具体步骤如下：

开启喷泉原子钟1d。从铷源8b蒸发进入冷却区7b的铷87原子在冷却区被磁场和广场俘获和冷却，原子冷却至μK量级后，用激光场的辐射压力使原子沿竖直方向上抛。当原子经过选态腔6b时，开启微波π脉冲，使原子发生从态（F=N，m_F=0）到态（F=N-1，m_F=0）的跃迁，其中N表示铷87原子超精细能级的总角动量量子数。处于态（F=N，m_F≠0）上的原子被探测区5b的行波光场大跑，剩余继续上抛的原子全部为制备到态（F=N-1，m_F=0）上的原子。单一态（F=N-1，m_F=0）原子继续向上经过微波腔4b时与微波π/2脉冲相互作用。原子飞离微波腔4b后自由飞行一段时间，在重力的作用下回到微波腔4b与微波π/2脉冲进行第二次作用。铷87原子从制备至单一态（F=N-1，m_F=0），后经两次与微波π/2脉冲作用及中间一段自由飞行，此过程对应Ramsey干涉过程，原子发生一定几率跃迁。原子继续下落，经过探测区5b，探测得到原子在两能级的布局数，即可得到原子在Ramsey干涉过程中的跃迁几率。通过输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号，通过伺服反馈环路锁定参考晶振，得到标准频率信号输出。

喷泉原子钟标准运行2d。通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔4b输入的微波脉冲为π/2脉冲。（其中微波脉冲为引起原子钟频率偏移的物理参量，π/2为微波脉冲信号的相位，在脉冲宽度固定情况下，其大小取决于微波功率，习惯用π的倍数表示微波脉冲大小，同下述。）在设定π/2微波脉冲条件下，铷87原子经过冷却7b、选态6b、探测5b、第一次与π/2微波脉冲作用4b、自由飞行、第二次与π/2微波脉冲作用4b到探测原子能级布局数5b，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号10d，通过伺服反馈环路锁定参考晶振。一个喷泉原子钟标准运行2d过程持续时间为3.5s。

喷泉原子钟参量改变运行3d。喷泉钟标准运行2d过程结束后，通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔4b输入的微波脉冲为3π/2脉冲。铷87原子经过冷却7b、选态6b、探测5b、第一次与3π/2微波脉冲作用4b、自由飞行、第二次与3π/2微波脉冲作用4b到探测原子能级布局数5b，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号11d，记录下误差数据，注意此过程误差信号11d不反馈给原子钟参考晶振。一个喷泉原子钟参量改变运行3d过程持续时间也为3.5s。

重复上述步骤6d，14d，喷泉原子钟交替工作在标准运行2d和参量改变运行3d过程，实验持续一定时间，得到一组标准运行2d误差信号数据Δν₁，Δν₂……Δν_n和一组参量改变运行误差信号数据Δν’₁，Δν’₂……Δν’_n。

误差处理9d。时间平均误差<Δν>=(Δν₁+Δν₂+……+Δν_n)/3.5n，<Δ’ν>=(Δν’₁+Δν’₂+……+Δν’_n)/3.5n。对于标准运行2d过程误差信号Δν₁，Δν₂……Δν_n，过程中误差信号反馈到原子钟压控晶振，输出微波频率信号锁定在原子跃迁频率上，<Δν>=0。而对于参量改变运行3d过程误差信号Δν’₁，Δν’₂……Δν’_n没有参与反馈，时间平均频率偏移<Δ’ν>≠0。<Δ’ν>即为由于微波脉冲改变引起的时间平均频率偏移。进一步对参量改变运行3d过程误差信号Δν’₁，Δν’₂……Δν’_n做阿兰方差分析，带入公式 ${\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{1}{{2\mathrm{\&tau;}}^2}{\mathrm{\&Sigma;}}_1^{N-1}{(y_{k+1}-y_k)}^2,$ 其中 $y_k=\mathrm{\&Delta;}{v^{\&prime;}}_k,$ N=n，τ表示误差信号间隔时间。绘制阿兰标准差σ_y随时间的变化曲线，获得频移不确定度置信区间σ_y，以σ_y衡量频移不确定度评估精度。

所述的喷泉原子钟标准运行2d过程和喷泉原子钟参量改变运行3d过程是同一台原子钟1d交替运行的两种状态过程，由交变信号控制触发。

所述自比对法评估过程没有引入外部参考钟和比相仪。

所述的自比对法评估过程避免了传统方法中外部参考钟所引入的频率偏移对评估精度的限制。

图5是我们分别采用两种比对方法测试分布腔相移的实验结果。实验中所涉及的本地振荡器1a为5MHz OCXO-8607晶振，探测器3a为CCD,氢钟2c为俄罗斯产的VCH-1003A主动型氢钟，比相仪5c为VCH-314，激光器为TA-100和DL-100半导体激光器，数据处理软件为Stable32软件。实验结果显示，阿兰标准差随时间按6E-13τ-1/2变化，好于我们的预期，运行200000s的阿兰标准差为1E-15量级，已经明显好于传统比对法所能给出的精度（对应图5中1f），并且只要比对时间足够长，还有继续提高的趋势。

实验表明，本发明评估原子喷泉钟不确定度自比对法解决了传统比对法中必需外部参考钟、比相仪给评估工作增加的难度；解决了传统比对法，由外部参考钟引入的频移不确定度分量，提高了评估精度，是原子喷泉钟频移不确定度评估的有效方法。

Claims (3)

1.一种喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①开启喷泉原子钟(1d)获得标准频率信号输出；

②喷泉原子钟标准运行(2d)：通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔(4b)输入的微波脉冲为π/2脉冲，在该π/2微波脉冲条件下，由铷源(8b)上抛的铷87原子经过冷却区(7b)、选态区(6b)、探测区(5b)进入微波腔(4b)第一次与π/2微波脉冲作用，然后自由上抛飞行下落，又进入微波腔(4b)，第二次与π/2微波脉冲作用，在探测区(5b)得到探测原子能级布局数，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν₁(10d)，通过伺服反馈环路锁定参考晶振，一个喷泉原子钟标准运行(2d)过程持续时间为3.5s；

③喷泉原子钟参量改变运行(3d)：喷泉钟标准运行(2d)过程结束后，通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔(4b)输入的微波脉冲为3π/2脉冲，铷源(8b)上抛的铷87原子经过冷却区(7b)、选态区(6b)、探测区(5b)，在所述的微波腔(4b)第一次与3π/2微波脉冲作用，然后经自由上抛飞行下落，在微波腔(4b)第二次与3π/2微波脉冲作用，在探测区(5b)得到探测原子能级布局数，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν’₁(11d)，注意此过程误差信号Δν’₁(11d)不反馈给原子钟参考晶振，一个喷泉原子钟参量改变运行(3d)过程持续时间也为3.5s；

④重复上述步骤②③共n－1次，喷泉原子钟交替工作在标准运行(2d)和参量改变运行(3d)，得到一组标准运行(2d)误差信号Δν₁，Δν₂……Δν_n和一组参量改变运行误差信号数据Δν’₁，Δv’₂……Δν’_n；

⑤求参量改变运行过程误差信号的时间平均频率偏移：

<Δ’ν>＝(Δν’₁+Δν’₂+……+Δν’_n)/3.5n；

⑥对参量改变运行(3d)过程误差信号Δν’₁，Δν’₂……Δν’_n按下列公式作阿兰方差分析：

${\mathrm{\&sigma;}}_y^2=\frac{1}{2{\mathrm{\&tau;}}^2}{\&Sigma;}_1^{N-1}{(y_{k+1}-y_k)}^2,$

其中y_k＝Δv’_k，N＝n，τ表示误差信号间隔时间，绘制阿兰标准差σ_y随时间的变化曲线，获得频移不确定度置信区间σ_y，该σ_y即是衡量频移不确定度评估精度。

2.根据权利要求1所述的喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法，其特征在于所述的在探测区(5b)得到探测原子能级布局数是指利用基于原子飞行时间法的双能级荧光探测法，分别探测处于上下能级的原子与探测光作用产生的荧光光子数，正比于上下能级原子数，由光电管将荧光信号变成电压信号输出，探测得到原子的跃迁几率为P＝N₂/(N₁+N₂)，其中N₂为处于上能级的原子数，正比于探测光与上能级原子作用产生的荧光光子数；N₁为处于下能级的原子数，正比于探测光与下能级原子作用产生的荧光光子数；N₁+N₂为原子总数。

3.根据权利要求2所述的喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法，其特征在于所述的由输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν₁(10d)及Δν’₁(11d)是指由上述双能级荧光探测法探测到的跃迁几率P，及其与微波失谐Δ的关系计算得到的误差频率信号Δν₁及Δν’₁，其中：Δ＝2πΔν₁，T是原子自由飞行时间，则 ${\mathrm{\&Delta;\&nu;}}_1=\frac{{\cos }^{-1}(2p-1)}{2\mathrm{\&pi;}T}.$