CN103684450B

CN103684450B - 一种相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法

Info

Publication number: CN103684450B
Application number: CN201310722150.9A
Authority: CN
Inventors: 汪中; 李大为; 石岱庭; 田路; 赵建业
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103684450A

Abstract

本发明公开一种相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，通过驱动电流信号驱动半导体激光器，该驱动电流信号同时受由一个晶振产生并被锁定在该晶振上的微波信号所调制，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光，将两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，产生中心频率等于微波信号与超精细能级拍频的驰豫振荡信号；再将驰豫振荡信号进行光电转换，并通过DSP芯片进行FFT变换，获得振荡中心频率；最后以振荡中心频率作为FPGA的控制信号，改变DDS芯片的频率控制字，得到标准频率输出。本发明提供的方法简化了原子钟系统的电路设计，提高了原子钟的稳定性和可靠性，且更有利于原子钟的数字化和微型化。

Description

一种相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法

技术领域

本发明涉及原子钟与频率标准技术领域，尤其涉及一种相干布居拍频（CPB）原子钟输出标准频率的方法。

背景技术

目前，原子钟已在很多领域有着广泛的应用，例如，在通信、导航等基础科学研究领域，不同种类的原子钟被研制出并得以应用。传统原子钟的原理是探测原子能级的参考谱线，并将原子钟输出的频率与参考谱线锁定，从而得到稳定的原子钟频率。传统原子钟是原子某个能级的跃迁吸收或发射的频率谱线为基准（因其具有相对较高的稳定性），用锁相电路或类似技术将一个微波信号或光频信号与这一跃迁频率的中心锁定，从而获得一个与原子跃迁频率接近一致的频率输出，作为原子钟的基准频率，而后再经过频率变换，使其输出一个相对稳定的特定频率信号。因此，输出频率与参考谱线的锁定是传统原子钟的重要技术，导致传统原子钟对锁定电路的要求很高，加大其不稳定因素。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，所述方法利用Λ原子中的相干布居拍频（CPB）现象和快速傅立叶变换（FFT）方法获取原子钟的标准频率，无需对原子钟的调制频率进行锁定，可简化电路设计，提高原子钟的稳定性和可靠性。

本发明的技术方案包括如下步骤：

1）通过驱动电流源产生的驱动电流信号驱动半导体激光器，所述驱动电流信号同时受由一个晶振产生并被锁定在该晶振上的微波信号所调制，由此产生两个频率差等于该微波信号频率的泵浦激光。

2）上述两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，所述微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁（CPT）谱线半宽度，产生一个中心频率等于微波信号与超精细能级拍频的驰豫振荡信号；

3）通过快速傅立叶变换方法从驰豫振荡信号得到振荡中心频率；

4）利用振荡中心频率作为控制信号，改变以步骤1）中所述晶振为源的数字频率合成芯片（DDS芯片）的频率控制字，得到标准频率输出。

上述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法中，进一步地：

步骤1）所述的微波信号同时受一个由所述晶振产生的方波信号调制，以使驱动电流在工作点和阈值以下周期性变换，从而使得泵浦激光按一定周期激发CPT失谐瞬态震荡，所述方波信号的频率小于CPT失谐瞬态震荡频率；

步骤1）所述的微波信号通过偏置树Bias Tee对驱动电流信号进行调制，调制后的信号作为半导体激光器的驱动信号，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光；

步骤2）是将所述半导体激光器产生的泵浦激光信号输入到具有Λ三能级的原子气室，从而使两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子发生作用；

在步骤3）将驰豫振荡信号通过光电转换为电信号后分为两路，其中一路通过锁相放大器反馈到驱动电流源，用于锁定半导体激光器的工作波长；另一路通过数字信号处理（DSP）芯片进行快速傅立叶变换（FFT），获得振荡中心频率；

在步骤4）将振荡中心频率作为控制信号输入到逻辑控制芯片（FPGA芯片），所述数字频率合成芯片（DDS芯片）的频率控制字通过逻辑控制芯片（FPGA芯片）来改变，从而产生标准频率输出信号。

步骤4）中所述DDS芯片的时钟信号由步骤1）所述晶振产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种相干布居拍频（CPB）原子钟输出标准频率的方法，利用Λ原子中的CPB现象和FFT变换获取原子钟的标准频率，无需对原子钟的调制频率进行锁定。该方法将原来在射频上进行的处理放到低频段进行，使得处理更加容易。此外，该方法采用数字处理直接合成标准输出的方式代替锁相环方式进行频率控制，简化了原子钟系统的电路设计，增强了原子钟的稳定性和可靠性，提高原子钟系统对外部环境的适应性，且更有利于原子钟的数字化和微型化。此外，相比传统CPT钟，本发明提供的CPB原子钟的控制信号的信噪比更高，其阿伦方差测试结果也比同等条件下实现的传统CPT原子钟要好。

附图说明

图1为本发明的信号流程示意图。

图2为⁸⁷Rb的三能级系统示意图。

图3为本发明的稳定度测试结果图。

具体实施方式

本发明利用的CPB现象是当两束相干激光穿过圆柱形原子气室时产生的。当CPT现象发生时，两束相干激光的频率差恰好等于基态超精细能级频率差。这两束相干激光可以用合适的射频信号调制单频激光得到。如果该射频信号相对于超精细能级频率差产生失谐，输出的光强将产生阻尼振荡，振荡的中心频率等于失谐值。这个现象可以看成用来调制激光的射频信号与CPT共振频率的外差拍频。阻尼振荡的中心频率精确地等于频率的失谐量，并且会随着用于调制激光的射频信号的变化而波动。如果该射频信号由一个晶振产生，那么振荡频率的波动会反映该晶振源所产生信号的漂移。

另外，为了产生振荡，振荡的中心频率必须比CPT线宽值高，其值最好大于一千赫兹。因此，观测信号赫兹量级的改变，必须借助于一个初始的失谐信号。另外，由于信号将会在10ms之内迅速衰减，因此需要引入一个方波对射频信号进行调制，使该射频信号的值在CPT共振频率以及相对该频率存在几千赫兹的失谐量之间变换，用这种办法可以周期性地得到阻尼振荡信号。

射频信号是由源信号合成的，所以阻尼振荡的中心频率会以预先设定的失谐频率为中心随着源信号的波动而波动，并与信号源的波动成一定的比例关系。该波动可以通过提取阻尼振荡中心频率，然后减去预设失谐量得到。把这两者的差除以射频频率与它的源的倍数关系直接与源信号相加得到的输出就是一个与超精细能级稳定度相同的信号。

该振荡相当于原子基态超精细能级与特定射频信号的拍频，所以它的优势在于可以在低频段进行信号处理而不是在射频段进行处理。因此，可以非常方便地使用完备的信号处理手段获得输出的弛豫振荡信号的信息。

输出的弛豫振荡信号在经过光电转换器转化为电信号后，通过数模转换芯片，输入DSP芯片进行处理。在DSP芯片中，进行FFT变换，进而得到阻尼振荡的中心频率。对数模转换芯片采样需要考虑两个因素：采样频率和采样点数。首先，采样频率必须高于所采信号最高频率成分的两倍；其次，由于频率分辨率等于采用频率除以采样点数，所以采样点数必须足够多，以使频率分辨率足够精确。同时，采用对FFT变换后产生的频域信号取平均的方法消除系统噪声。然而，足够多的处理点数以及多次平均使得处理时间称为一个不容忽视的问题。为了使处理时间尽可能短，针对阻尼振荡的中心频率的选择需要考虑两个方面：一方面，它必须足够高以保证阻尼振荡能够稳定地产生；另一方面，它又必须尽可能低从而使采样频率比较低，进而在保证足够精细的频率分辨率的同时降低采样点数。另外，同样专门针对数字处理设计的芯片来提高计算速度。

基于上述原理，本发明首先由驱动电流源产生驱动电流信号，由晶振产生微波信号，微波信号通过偏置树Bias Tee调制驱动电流源产生的驱动电流信号，调制后的信号作为半导体激光器的驱动信号，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光；再将两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，产生中心频率等于微波信号与超精细能级拍频的驰豫振荡信号；然后将驰豫振荡信号通过光电转换器进行光电转换，光电转换后的驰豫振荡信号通过DSP芯片进行FFT变换，获得振荡中心频率；最后利用振荡中心频率作为控制信号，改变以晶振产生信号作为时钟的的DDS芯片的频率控制字，得到标准频率输出。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细描述，但不以任何方式限制本发明的范围：

如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，一个被调制的VCSEL激光器被用来产生激光信号。晶振是整个系统唯一的信号源，射频信号合成芯片锁定在所述晶振上，由射频信号合成芯片产生的射频信号通过偏置树Bias Tee与控制产生激光的直流信号耦合输入VCSEL激光器。该射频信号的作用是调制VCSEL激光器，使之产生相干激光。另外，该射频信号同样被一个1.5kHz的频率调制。调制由一个41Hz的方波进行控制，使该射频频率在方波低电平时为f1，在方波高电平时为f0=f1+1.5kHz。1.5kHz为初始失谐频率，它的值的大小是平衡阻尼振荡产生效果以及采样率的结果。在晶振理想的情况下，f0等于原子基态超精细能级频率差fh；当射频频率等于f1时，输出光强会产生阻尼振荡现象。其中心频率为f0–fh=1.5kHz。如果源信号漂移，f0会相应改变，振荡的中心频率，f0–fh，也会相应变化。

从VCSEL激光器产生的被调制的激光信号被注入具有Λ三能级的原子气室。本实施例中，具有Λ三能级的原子气室为⁸⁷Rb铷泡。⁸⁷Rb的三能级系统如图2所示。铷泡中含有Ar、Ne混合的缓冲气体。铷泡腔内的总压强为5kPa，Ar与Ne的比例是1：1.2。由于缓冲气体与铷原子碰撞而产生碰撞频移，并且其对温度非常敏感。因此，需要设有严格的温控系统。本实施例使用两片由单片机控制的TEC，以保持工作温度稳定在30摄氏度，控温精度为0.1摄氏度。

由VCSEL激光器产生的795nm光频信号通过锁相放大器控制激光器注入电流被稳定在⁸⁷Rb的D1吸收峰上。激光通过⁸⁷Rb铷泡后由光电探测器转化成电信号。该信号由一串中心频率为f0–fh的阻尼振荡信号组成。同时，信号中也包括由于环境以及系统引入的噪声。这些高频噪声以及信号的直流成分在通过带通滤波器后得到了较好的消除。经过滤波器的信号经过放大后被模数转换芯片以4.1kHz的采样率采集。该采样率能够满足奈奎斯特采样频率的要求。处理点数被设置为4096，频率分辨率因而被设置为1Hz。但是，一段振荡中大概只能采集到一百个点左右，剩余点数则需要补零处理。另外，为了消除随机噪声的影响，将5次经过FFT得到的频率信号加在一起进行平均，最后得到输出信号f0–fh。本实施例中，整个处理过程都是在TI公司的一款数字信号处理芯片（DSP芯片）中完成的，处理时间大约为9s。DSP芯片的输出作为控制信息输入用来控制DDS芯片的FPGA芯片。DDS芯片与射频信号共用同一个晶振为源合成10MHz信号。它的频率控制字将随着控制信号的改变而相应改变，以此消除由于晶振源信号漂移造成的合成信号的漂移，进而获得一个标准频率。

图3为本具体实施例实现的相干布居拍频原子钟的稳定度测试结果，用阿伦方差表示，秒稳定度为3e-11，千秒稳定度为3e-12。该指标优于利用相同物理系统搭建的相干布居囚禁原子钟系统一个量级。

Claims

1.一种相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征是，包括如下步骤：

1）通过驱动电流源产生的驱动电流信号驱动半导体激光器，所述驱动电流信号同时受由一个晶振产生并被锁定在该晶振上的微波信号所调制，由此产生两个频率差等于该微波信号频率的泵浦激光；

2）所述两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，所述微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁谱线半宽度，产生一个中心频率等于微波信号与超精细能级拍频的驰豫振荡信号；

4）利用振荡中心频率作为控制信号，改变以步骤1）中所述晶振为源的数字频率合成芯片的频率控制字，得到标准频率输出。

2.如权利要求1所述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征是，步骤1）所述的微波信号同时受一个由所述晶振产生的方波信号调制，以使驱动电流在工作点和阈值以下周期性变换，从而使得泵浦激光按一定周期激发CPT失谐瞬态震荡，所述方波信号的频率小于CPT失谐瞬态震荡频率。

3.如权利要求1所述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征是，在步骤1）中，所述微波信号通过偏置树Bias Tee对所述驱动电流信号进行调制，调制后的信号作为所述半导体激光器的驱动信号，产生两个频率差等于上述微波信号频率的泵浦激光。

4.如权利要求1所述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征是，步骤2）是将所述半导体激光器产生的泵浦激光信号输入到具有Λ三能级的原子气室，从而使两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子发生作用。

5.如权利要求1所述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征是，在步骤3）将驰豫振荡信号通过光电转换为电信号后分为两路，其中一路通过锁相放大器反馈到驱动电流源，用于锁定半导体激光器的工作波长；另一路通过数字信号处理芯片进行快速傅立叶变换，获得振荡中心频率。

6.如权利要求1所述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征在于，在步骤4）将所述振荡中心频率作为控制信号输入到一个逻辑控制芯片，所述数字频率合成芯片的频率控制字通过所述逻辑控制芯片来改变，从而产生标准频率输出信号。

7.如权利要求1所述相干布居拍频原子钟输出标准频率的方法，其特征是，步骤4）中所述数字频率合成芯片的时钟信号由步骤1）所述晶振产生。