CN105450228B - 一种铷原子频标 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铷原子频标，属于原子频标领域。所述铷原子频标包括光源、共振跃迁模块、射频信号产生模块、光电检测模块、以及中央处理器，共振跃迁模块、光电检测模块依次设置在光源产生光的输出光路上，射频信号产生模块分别与共振跃迁模块、中央处理器连接，光电检测模块与中央处理器连接，铷原子频标还包括光开关和功率检测模块，光开关设置在光源产生光的输出光路上且位于光源和共振跃迁模块之间，光开关与中央处理器连接，功率检测模块分别与共振跃迁模块、中央处理器连接。本发明通过中央处理器控制光开关开闭的方式开控制抽运光脉冲的作用时间，缩短了铷原子频标中环路响应时间，加快了闭环工作时间，从而减小铷原子频标的光频移。
Description
技术领域
本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种铷原子频标。
背景技术
原子频标是提供标准频率和时间的设备。铷原子频标因其具有体积小、低功耗和较好的抗恶劣环境的能力，而成为应用最广泛的一种原子频标。
在原子检测应用领域，为提高信噪比，铷原子频标采用了光抽运的方法。但由于抽运光不是单色光，而是具有一定线宽和线性函数的多条光谱线的叠加，所以抽运光将会引起铷原子跃迁频率的移动，即光频移。光频移就其本质而言是交变光频电场产生的交流斯塔克效应的平均效果，其与抽运光的光强成正比且与抽运光的光谱轮廓有关。为了减小铷原子频标的光频移，通常采用改变抽运光光强的方法。然而，一方面，改变抽运光光强的所测得的原子频标整机频率曲线不是完全交于一点，而是交于一个小的三角形区域，因此，改变光强并不能完全消除光频移对原子频标输出频率稳定度的影响。另一方面，光频移的大小不但与抽运光的光强成正比，而且与抽运光光谱线的线性函数关系密切。在光谱线线性函数范围内有一部分频率分量会引起铷原子跃迁频率的正向移动即正光频移，另一部分频率分量引起负光频移，抽运光引起的光频移是上述正光频移和负光频移的叠加。当光谱线的线性函数发生微小变化时，很容易导致正光频移和负光频移的总和不为零，而引起铷原子频标的光频移，因而，仅仅改变抽运光光强不能消除光谱线的线性函数发生变化引起的光频移，从而会影响铷原子频标输出频率的稳定度。现有技术对抽运光光脉冲信号产生是通过对光源的高频激励管进行方波控制，使其在方波电平作用下发生或熄灭，这样当每次光源熄灭后再到正常发光并稳定经历的时间过长，不利于原子钟伺服系统的快速闭环工作，使环路响应时间变长。
发明内容
为了解决现有技术每次光源熄灭后再到正常发光并稳定经历的时间过长，不利于原子钟伺服系统的快速闭环工作，使环路响应时间变长的问题，本发明实施例提供了一种铷原子频标。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种铷原子频标，所述铷原子频标包括光源、共振跃迁模块、射频信号产生模块、光电检测模块、以及中央处理器，所述共振跃迁模块、所述光电检测模块依次设置在所述光源产生光的输出光路上，所述射频信号产生模块分别与所述共振跃迁模块、所述中央处理器连接，所述光电检测模块与所述中央处理器连接，所述铷原子频标还包括光开关和功率检测模块，所述光开关设置在所述光源产生光的输出光路上且位于所述光源和所述共振跃迁模块之间，所述光开关与所述中央处理器连接，所述功率检测模块分别与所述共振跃迁模块、所述中央处理器连接；所述铷原子频标还包括电流控制模块和磁场控制模块，所述电流控制模块分别与所述中央处理器、所述磁场控制模块连接，所述磁场控制模块与所述共振跃迁模块连接。
可选地，所述电流控制模块包括恒流源，所述磁场控制模块包括漆包线，所述漆包线缠绕在所述共振跃迁模块外。
可选地，所述铷原子频标还包括温度检测模块，所述温度检测模块分别与所述中央处理器、所述共振跃迁模块连接。
优选地，所述温度检测模块包括热敏电阻。
在本发明一种可能的实现方式中，所述光开关设置在所述光源产生光的输出端。
在本发明又一种可能的实现方式中，其特征在于，所述共振跃迁模块包括谐振腔和呈泡状腔体结构的共振吸收泡，所述共振吸收泡设置在所述谐振腔内。
可选地，所述共振吸收泡内设有两种同位素。
在本发明又一种可能的实现方式中，所述射频信号产生模块包括压控晶振、倍混频模块、综合模块，所述压控晶振分别与所述倍混频模块、所述综合模块、所述中央处理器连接，所述综合模块分别与所述倍混频模块、所述中央处理器连接，所述倍混频模块与所述共振跃迁模块连接。
在本发明又一种可能的实现方式中，所述光电检测模块包括至少一个光电池。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过中央处理器控制光开关开闭的方式开控制抽运光脉冲的作用时间，可达到毫秒量级，从而大大缩短了铷原子频标中环路响应时间，加快了闭环工作时间，从而进一步减小铷原子频标的光频移。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的铷原子频标的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的铷原子频标中各信号的波形示意图；
图3是本发明实施例提供的共振跃迁模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的射频信号产生模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本发明实施例提供了一种铷原子频标，参见图1，该铷原子频标包括光源1、光开关2、共振跃迁模块3、光电检测模块4、射频信号产生模块5、功率检测模块6、以及中央处理器7。光开关2、共振跃迁模块3、光电检测模块4依次设置在光源1产生光的输出光路上，中央处理器7分别与光开关2、光电检测模块4、射频信号产生模块5、功率检测模块6连接，共振跃迁模块3分别与射频信号产生模块5、功率检测模块6连接。
下面先结合图1和图2介绍本发明实施例提供的铷原子频标的工作原理：
中央处理器7控制光开关2的开闭，使光源1的第一个抽运光脉冲发送到共振跃迁模块3，共振跃迁模块3内部的原子被集中到基态某一个能级的几个超精细能级上，然后用两个相干的有一定时间间隔的射频脉冲对对共振跃迁模块3作用，射频频率正好等于原子基态0-0能级跃迁的频率。在第二个射频脉冲作用后，通过中央处理器7对光电检测模块4进行取样，光电检测模块4进行第一次光检测获得光检测信号后，中央处理器7将量子纠偏信号传输到射频信号产生模块5，使其输出射频信号频率发生相应的改变，完成第一次铷原子频标的伺服。在上述过程中，射频脉冲的作用时间t5比光脉冲的作用时间t4短，射频脉冲的作用时间t5比两个射频脉冲作用的间隔时间t2短。在进行第一次光检测的时间t3内，中央处理器7控制完成下一次的抽运光脉冲的发送、对光电检测模块信息的处理和量子纠偏信号的反馈，完成完整的环路响应，依此重复。在进行一次光检测后，才进行下一次射频脉冲作用。在本实施例中，图2还可以看出，通常从光脉冲的作用时间t4结束，光开关2关闭后射频脉冲的作用开始之间存在一个时间间隔t1，中央处理器7需要控制该时间间隔t1尽量小。
在本实施例的一种实现方式中，该铷原子频标还可以包括电流控制模块8和磁场控制模块9，电流控制模块8分别与中央处理器7、磁场控制模块9连接，磁场控制模块9与共振跃迁模块3连接。
需要说明的是，中央处理器7对电流控制模块8输出的电流强度进行控制，进而控制磁场控制模块9磁场强度，最终提供共振跃迁模块3中完成原子分裂及量子化轴所需要的磁场。
具体地，电流控制模块8可以包括恒流源，磁场控制模块9可以包括漆包线，漆包线缠绕在共振跃迁模块3外。
可选地，该铷原子频标还可以包括温度检测模块10，温度检测模块10分别与中央处理器7、共振跃迁模块3连接。
需要说明的是，温度检测模块10检测到原子跃迁模块3的工作环境温度后传输至中央处理器7，中央处理器7根据内部存储的参数对电流控制模块8输出的电流强度进行调节控制，进而对磁场控制模块9输出的磁场强度进行调节控制，实现通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化，最终控制原子中心频率维持不变。
具体地，温度检测模块可以包括热敏电阻。
优选地，光开关2设置在光源1产生光的输出端。
可选地，共振跃迁模块3可以包括谐振腔和呈泡状腔体结构的共振吸收泡，共振吸收泡设置在谐振腔内。
优选地，共振吸收泡内可以设有两种同位素。
优选地，谐振腔室TE111模式的微波谐振腔。谐振腔主要作用是原子基态精细结构的微波跃迁提供合适的微波场，其共振频率选择在原子基态精细结构0-0跃迁中心频率上。同时，谐振腔也起着为共振吸收泡提供热环境的作用。
在本实施例中，参见图3，微波谐振腔可以包括微波腔31、磁场线圈32、耦合环33、以及磁屏34。微波腔31设置在磁屏34中，耦合环33设置在微波腔31上，磁场线圈32圈绕微波腔31设置，光电检测模块4和共振吸收泡35设置在微波腔31中，共振吸收泡35位于光源1和光电检测模块4的中间。
可选地，参见图4，射频信号产生模块5可以包括压控晶振51、倍混频模块52、综合模块53，压控晶振51分别与倍混频模块52、综合模块53、中央处理器7连接，综合模块53分别与倍混频模块52、中央处理器7连接，倍混频模块52与共振跃迁模块3连接。
具体地，压控晶振51输出信号的频率为10MHz，分别得到倍混频模块52频率为6840MHz的输出信号、以及综合模块53频率为5.3125MHz的输出信号，进而获得频率为6834.6875MHz的微波探询信号，其频率与共振跃迁模块3中的原子基态超精细结构0-0跃迁的中心频率对应。
具体地，综合模块53可以包括直接数字式频率合成器(Direct DigitalSynthesizer，简称DDS)芯片，如AD9854。AD9854内部有48为频率控制寄存器，对于10MHz的压控晶振作为外部时基参考，其频率分辨率为10MHz/248，相对于综合输出频率5.3125MHz而言，其相对频偏为(10MHz/248)/5.3125MHz≈8E-15，即通过中央处理器对DDS芯片程序控制，使其产生综合频率信号时可以精确到8E-15的量级。若分别控制两次综合器输出不同的频率F1、F2，经倍、混频后将获得对应的微波信号。由于AD9854芯片在两次频率跳换，能够保持输出频率信号的相位一致，而且这里只是对F1、F2频率作了非常小的改动，故可认为其频率值相等，即产生了相干的两次微波探询信号作用于共振跃迁模块。这样做的好处是：因为产生了两次不同的微波探询频率(频率有微小差别，受DDS控制)，将增加共振跃迁模块中的的混杂原子的共振跃迁数，以进一步提高整个系统的信噪比。
具体地，光电检测模块4可以包括至少一个光电池。
本发明实施例通过中央处理器控制光开关开闭的方式开控制抽运光脉冲的作用时间，可达到毫秒量级，从而大大缩短了铷原子频标中环路响应时间，加快了闭环工作时间，从而进一步减小铷原子频标的光频移。而且射频信号产生模块输出的信号一部分传输至共振跃迁模块，另一部分传输至功率检测模块，并通过功率检测模块对其功率值进行检测，并将检测结果传输至中央处理器，然后通过中央处理器反馈至射频信号产生模块，进而控制射频信号产生模块的输出信号，以稳定射频信号产生模块的输出信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种铷原子频标，所述铷原子频标包括光源、共振跃迁模块、射频信号产生模块、光电检测模块、以及中央处理器，所述共振跃迁模块、所述光电检测模块依次设置在所述光源产生光的输出光路上，所述射频信号产生模块分别与所述共振跃迁模块、所述中央处理器连接，所述光电检测模块与所述中央处理器连接，其特征在于，所述铷原子频标还包括光开关和功率检测模块，所述光开关设置在所述光源产生光的输出光路上且位于所述光源和所述共振跃迁模块之间，所述光开关与所述中央处理器连接，所述功率检测模块分别与所述共振跃迁模块、所述中央处理器连接；所述铷原子频标还包括电流控制模块和磁场控制模块，所述电流控制模块分别与所述中央处理器、所述磁场控制模块连接，所述磁场控制模块与所述共振跃迁模块连接。
2.根据权利要求1所述的铷原子频标，其特征在于，所述电流控制模块包括恒流源，所述磁场控制模块包括漆包线，所述漆包线缠绕在所述共振跃迁模块外。
3.根据权利要求1或2所述的铷原子频标，其特征在于，所述铷原子频标还包括温度检测模块，所述温度检测模块分别与所述中央处理器、所述共振跃迁模块连接。
4.根据权利要求3所述的铷原子频标，其特征在于，所述温度检测模块包括热敏电阻。
5.根据权利要求1或2所述的铷原子频标，其特征在于，所述光开关设置在所述光源产生光的输出端。
6.根据权利要求1或2所述的铷原子频标，其特征在于，所述共振跃迁模块包括谐振腔和呈泡状腔体结构的共振吸收泡，所述共振吸收泡设置在所述谐振腔内。
7.根据权利要求6所述的铷原子频标，其特征在于，所述共振吸收泡内设有两种同位素。
8.根据权利要求1或2所述的铷原子频标，其特征在于，所述射频信号产生模块包括压控晶振、倍混频模块、综合模块，所述压控晶振分别与所述倍混频模块、所述综合模块、所述中央处理器连接，所述综合模块分别与所述倍混频模块、所述中央处理器连接，所述倍混频模块与所述共振跃迁模块连接。
9.根据权利要求1或2所述的铷原子频标，其特征在于，所述光电检测模块包括至少一个光电池。
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