CN105577188B - 一种实现cpt原子频率标准的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种实现CPT原子频率标准的方法及装置，通过第一VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中，使该第一VCSEL和第二VCSEL产生线偏振光相干多色光并与吸收泡中的原子相互作用，实现CPT原子频率标准的输出的同时，避免原子积聚在极化暗态。并且，耦合在各VCSEL的输入电流上的微波信号的功率较低，使各VCSEL发射激光的各级边带总能量低于阈值，保证了不参与原子相互作用的激光能量处于较低水平，减少了CPT共振谱线的干扰和噪音。通过本申请提供的方法及装置，可以提高CPT共振谱线的对比度，改善CPT原子频率标准的稳定度。
Description
技术领域
本申请涉及原子频率标准领域，尤其涉及一种实现CPT原子频标的方法及装置。
背景技术
原子频率标准，简称原子频标，是原子钟计算时间的重要依据。如何快速、准确的获得准确的原子频标就成为人们关注的重点。其中，由于利用相干布居囚禁(CoherentPopulation Trapping)CPT来确定原子频标的设备，相对于传统确定原子频标的设备没有谐振腔，所以具有体积小、功耗低、启动快等优点，使得CPT原子频标在信息通讯、测量测控、终端导航等领域具有广泛的应用前景。
在现有技术中，CPT原子频标采用圆偏振相干多色光，该圆偏振相干多色光的±1级边带与碱金属原子相互作用，使得该碱金属原子处于CPT态，即可通过光电探测设备获得该碱金属原子的CPT共振谱线，并将该CPT共振谱线作为原子频标的鉴频信号(即，可以根据该CPT共振谱线鉴别、调整上述的圆偏振相干多色光，使得该碱金属原子准确的处于CPT态)。
但是，一般的CPT原子频标，由于圆偏振光与碱金属原子相互作用时，随着时间的增加，原子会积聚在极化暗态，而不再参与CPT共振过程，使得CPT共振的布居数减少，CPT共振谱线的信号对比度降低。且当使用纵腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)作为产生圆偏振相干多色光的光源而使碱金属原子处于CPT态时，由于只有该圆偏振相干多色光的±1级边带与碱金属原子相互作用，而该圆偏振相干多色光的载波和高次边带并不参与与原子的相互作用，只作为背景光，使得光电探测设备获得的CPT共振谱线的信号对比度较低。上述两点使得一般的CPT原子频标准确度低，且难以进一步改善CPT原子频标稳定度。
发明内容
本申请实施例提供一种实现CPT原子频率标准的方法及装置，用以解决现有技术中CPT原子频标的鉴频信号对比度低，导致CPT原子频标的准确度降低，难以进一步改善CPT原子频标稳定度的问题。
本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的方法，第一VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中，所述方法包括：
将预设的微波信号耦合在第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流上，其中，所述第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流不同，所述微波信号的功率使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光的各级边带总能量低于预设阈值；
线性调整所述第一VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL发出的线性变化的激光和所述第二VCSEL发出的激光共同与吸收泡中的原子作用，获得对应的原子吸收谱线；
根据获得的所述原子吸收谱线，将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流；
根据调整输入电流后的第一VCSEL和第二VCSEL发出的激光与吸收泡中的原子作用，实现CPT原子频率标准的频率输出。
本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的装置，包括：
第一VCSEL、第二VCSEL、偏振片、半波片、极化分光镜、控制芯片、耦合电路、吸收泡；
第一VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中；
耦合电路，用于将预设的微波信号耦合在第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流上，其中，所述第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流不同，所述微波信号的功率使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光的各级边带总能量低于预设阈值；
控制芯片，用于线性调整所述第一VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL发出的线性变化的激光和所述第二VCSEL发出的激光共同与吸收泡中的原子作用，获得对应的原子吸收谱线，根据获得的所述原子吸收谱线，将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流，根据调整输入电流后的第一VCSEL和第二VCSEL发出的激光与吸收泡中的原子作用，实现CPT原子频率标准的频率输出。
本申请实施例提供一种实现CPT原子频率标准的方法及装置，通过第一VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中，使该第一VCSEL和第二VCSEL产生线偏振光相干多色光并与吸收泡中的原子相互作用，实现CPT原子频率标准的输出的同时，避免了原子积聚在极化暗态。并且，由于耦合在该第一和第二VCSEL的输入电流上的微波信号的功率较低，使该第一和第二VCSEL发射的激光的各级边带总能量低于预设阈值，保证了不参与原子相互作用的激光能量处于较低水平，减少作为背景光的各级边带对CPT共振谱线造成的干扰和噪音。通过本申请提供的方法及装置，可以有效地提高激光与原子相互作用的CPT共振谱线的对比度，而且可以进一步改善CPT原子频率标准的稳定度和准确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的装置结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的过程；
图3为本申请实施例提供的进一步调整各VCSEL发射激光的频率，以实现CPT原子频率标准的过程；
图4为本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的装置的详细结构示意图。
具体实施方式
本申请中使用两个VCSEL发射频率不同的激光，且该激光为线偏振相干多色光，通过这两个频率不同的激光与吸收泡中原子的相互作用，实现CPT原子频率标准的输出。并且，将耦合在这两个VCSEL上的微波信号使两个VCSEL发射激光的各级边带的频率作为调整两个VCSEL发射激光的频率的参考，使调整后的两个VCSEL发射激光的频率更加准确，CPT共振谱线的对比度更高。通过本申请提供的方法，可以避免吸收泡中的原子积聚在极化暗态，稳定了长时间使用后CPT共振谱线的对比度，且由于参与原子相互作用的不再是VCSEL发射激光中的±1级边带，所以使得耦合在VCSEL上的微波信号的功率可以进一步降低，使得不参与原子相互作用的背景光的能量降低，提高了CPT共振谱线的对比度，从而可以使输出的CPT原子频率标准更加准确。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的装置结构示意图，包括：
第一VCSEL101、第二VCSEL102、偏振片103、半波片104、极化分光镜105、控制芯片106、耦合电路107、吸收泡108。
第一VCSEL101，用于根据输入电流的不同，发射不同频率的激光；
第二VCSEL102，用于根据输入电流的不同，发射不同频率的激光；
偏振片103，用于调整第一VCSEL101发射的线偏振激光的偏振方向；
半波片104，用于将该第二VCSEL101发射的激光由线偏振光转化为与之垂直的线偏振光；
极化分光镜105，用于使第一VCSEL101发射的经由偏振片103转化为平行线偏振光的部分通过，使第二VCSEL102发射的经由半波片104转化为垂直线偏振光的光路在经过极化分光镜后呈90°反射(即，该垂直线偏振光在该极化分光镜105中的反射角为45°)，并使该第一VCSEL101发射的经由偏振片103转化为平行线偏振光和该第二VCSEL102发射的经由半波片104转化为垂直线偏振光处于同一光路上；
控制芯片106，用于调整该第一VCSEL101和该第二VCSEL102的输入电流，使该第一VCSEL101和该第二VCSEL102发射的激光与吸收泡108中的原子相互作用，实现CPT原子频率标准的频率输出；
耦合电路107，用于将微波信号耦合在第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流上；
吸收泡108，用于储存对应的原子单质或者对应的原子单质和惰性气体。
基于图1所示的实现CPT原子频率标准的装置，本申请实施例提供一种实现CPT原子频率标准的方法，如图2所示：
图2为本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的过程，其中，第一VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中。
并且，该第一VCSEL发射的激光中的部分激光通过极化分光镜与该第二VCSEL发射的激光中的部分激光经由极化分光镜的反射，合为一束激光，即该第一和第二VCSEL发射的激光垂直相交的交点位于该极化分光镜的分光面上。于是，图2所提供的一种实现CPT原子频率标准的方法，具体可以是：
S201：将预设的微波信号耦合在第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流上，所述第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流不同。
在本申请实施例中，为了后续步骤中可以通过各VCSEL发的激光的各级边带的频率作为调整各VCSEL输入电流的参考，所以控制芯片可以通过频率合成电路输出预设频率以及功率的微波信号，并通过耦合电路将该微波信号耦合在第一和第二VCSEL的输入电流上。同时，该控制芯片可以调整该第一VCSEL和该第二VCSEL的输入电流，使该第一和第二VCSEL的输入电流不同，从而使该第一和第二VCSEL发射的激光的频率不同。
具体的，控制芯片可以根据预设的频率差所对应的电流差，使该第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流存在电流差。理论上具有预设电流差的输入电流分别输入到第一VCSEL和第二VCSEL后，就可以使第一VCSEL和第二VCSEL发射的激光具有预设的频率差，但是由于实际使用中可能会出现各种系统误差、系统干扰等等问题，所以该第一VCSEL和该第二VCSEL实际发出的激光的频率差并不完全等于需要的频率差，所以无法通过与吸收泡中原子的相互作用使原子处于CPT态，并实现CPT原子频率标准的输出。于是，需要通过后续的步骤进一步调整输入各VCSEL的输入电流，使该第一VCSEL和该第二VCSEL实际发出的激光的频率差等于需要的频率差。
另外需要说明的是，在本申请中微波信号耦合在该第一VCSEL和该第二VCSEL的输入电流上，使该第一VCSEL和该第二VCSEL发射的激光具有多级边带，但是该各级边带并不参与CPT共振的过程，即不参与与吸收泡中原子的相互作用，所以该微波信号的功率可以很低，以减少各级边带作为背景光对CPT共振信号对比度的影响。其中，控制芯片可以控制频率合成电路发射的微波信号的功率为预设的微波信号的功率，且该预设的微波信号的功率可使该第一和第二VCSEL发射激光的各级边带的总能量低于预设阈值，该阈值可以设置为低于4％，即该微波信号的功率使该第一和第二VCSEL发射激光的各级边带总能量低于第一和第二VCSEL发射的激光的能量的4％。
S202：线性调整所述第一VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL发出的线性变化的激光和所述第二VCSEL发出的激光共同与吸收泡中的原子作用，获得对应的原子吸收谱线。
如步骤S201中所述的原因，本申请需要进一步调整该第一和第二VCSEL的输入电流，以实现该第一和该第二VCSEL发射的激光的频率差等于需要的频率差，所以首先需要确定该第一和该第二VCSEL所发射的激光需要调整的频率，即该第一和第二VCSEL所需要的频率差。
具体的，该需要的频率差可以通过吸收泡中对应的原子吸收谱线来确定，即，可以通过该原子吸收谱线中最大吸收峰与最小吸收峰的频率差来确定，于是需要先确定该原子吸收谱线。
首先，控制芯片可以先降低第二VCSEL的输入电流(或者也可直接关闭该第二VCSEL的输入电流)，以降低该第二VCSEL发射的激光的频率对所要获得的原子吸收谱线的干扰。
其次，该控制芯片可以调整第一VCSEL的输入电流，使该第一VCSEL的输入电流由低到高线性增加，则该第一VCSEL射入图1中吸收泡的激光的波长实现相应的由低到高的线性增加。当射入吸收泡中的激光的频率等于原子中电子由基态跃迁到激发态所需的能量频率时，该激光被吸收并表现为入射光强降低，于是该控制芯片可以通过第一光电探测器确定一个原子吸收谱线中的吸收峰，通过以上过程该控制芯片便可以获得该吸收泡中原子所对应的原子吸收谱线，还可以得到该原子吸收谱线的最大吸收峰和最小吸收峰，该最大和最小吸收峰对应的频率为该吸收泡原子的电子分别由基态的两个超精细能级跃迁到激发态的频率。
S203：根据获得的所述原子吸收谱线，将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流。
本申请实施例中，通过步骤S201获取图1所示的吸收泡内原子的对应的原子吸收谱线，其中，该原子可以是碱金属原子，例如，钠原子、铷原子、铯原子等，当然也可以是其他可以用于实现CPT原子频率标准的原子。
由于获取的该原子吸收谱线的最大和最小两个吸收峰之间的频率差就是CPT态中所述的原子基态超精细能级的频率差。所以若调整该第一和第二VCSEL发射的激光的频率为这两个频率，就可以满足使原子处于CPT态的条件。
具体的，若要调整该第一和第二VCSEL的发射激光的频率，需要通过调整该第一和第二VCSEL的输入电流来实现，而由于实际使用中输入电流的变化率与VCSEL发射的激光的变化率并不是固定的，所以首先要确定各VCSEL输入电流的变化率与各VCSEL发射激光的变化率之间的对应关系，其次再根据确定各VCSEL输入电流的变化率与发射激光的变化率的对应关系和获得的原子吸收谱线，确定需要调整各VCSEL的输入电流的调整量，最后再根据输入电流的调整量调整各VCSEL的输入电流。
其中，确定各VCSEL输入电流的变化率与各VCSEL发射激光的变化率之间的对应关系的方法可以是：针对第一VCSEL，控制芯片微调该第一VCSEL的输入电流，控制芯片通过第一光电探测器将微调后该第一VCSEL发射的激光的光信号转化为电信号，根据转化后的电信号，获得微调后该第一VCSEL发射的激光相对于微调前该第一VCSEL发射的激光的频率偏移的极性(激光频率是增大还是减小)和幅度(激光频率增大或减小的幅度)，如此，便可以确定该第一VCSEL的输入电流的变化率和该第一VCSEL发射激光频率的变化率之间的对应关系。
其次，该控制芯片便可以根据上述确定的极性、幅度、原子吸收谱线中最大吸收峰值对应的电流所对应的电信号，确定该第一VCSEL所需调整的电流调整量，即，该电流调整量可以使该第一VCSEL发射的激光的频率等于该原子吸收谱线中最大吸收峰处的频率。
最后，该控制芯片可以根据所述电流调整量，调整该第一VCSEL的输入电流，使该第一VCSEL发射的激光频率为该原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的频率。
通过上述过程便实现了使该第一VCSEL的发射激光的频率等于该原子吸收谱线中最大吸收峰处的频率，同理，通过同样的过程该控制芯片也可以调整该第二VCSEL发射的激光频率为该原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的频率。即，控制芯片微调第二VCSEL的输入电流，通过第一光电探测器将微调后第二VCSEL发射的激光的光信号转化为电信号，根据转化的电信号，获得微调后第二VCSEL发射的激光相对于微调前第二VCSEL发射的激光的频率偏移的极性和幅度，根据确定的极性、幅度、与最小吸收峰值对应的电流所对应的电信号，确定第二VCSEL所需调整的电流调整量，根据该电流调整量，调整第二VCSEL的输入电流。
S204：根据调整输入电流后的第一VCSEL和第二VCSEL发出的激光与吸收泡中的原子作用，实现CPT原子频率标准的频率输出。
在本申请实施例中，通过上述步骤S201～203，该第一和第二VCSEL发出激光的频率差为吸收泡中原子对应的原子吸收谱线的最大吸收峰和最小吸收峰的频率差，使该吸收泡中的原子通过与该第一和第二VCSEL发出激光的相互作用后，该吸收泡中的原子被囚禁在两个基态子能级上，实现了CPT原子频率标准。
上述实现CPT原子频率标准的方法，由于进入图1所示的吸收泡的激光为线偏振光而非圆偏振光，所以可以避免使吸收泡中的原子积聚在极化暗态。同时，由于本申请中使原子被囚禁在两个基态子能级上的相干多色光是该第一和第二VCSEL发射的激光的载波(即，该激光的基频)，所以耦合在各VCSEL的输入电流上的微波信号的功率可以降低，使得各VCSEL发射的激光中不参与原子相互作用的各级边带的能量相应降低，可使作为背景光的激光中各级边带所造成的干扰和噪声降低，最终达到提高CPT共振信号的对比度的效果，可以进一步使CPT原子频率标准更加准确。基于以上两点原因，本申请实施例提供的方法可以避免一般的CPT共振信号对比度低、CPT原子频率标准准确度低、稳定性差的问题。
另外，由于通过图2所示的方法，该第一和第二VCSEL发射的激光频率差是通过控制芯片根据获得的原子吸收谱线来调整的，但是该第一和第二VCSEL发射的激光频率差准确度并不是很高，所以本申请实施例还可以利用在步骤S201中所述的微波信号为参考，在步骤S204中进一步调整各VCSEL发射激光的频率，以进一步提高CPT原子频率标准的准确度，其过程如图3所示。
图3为本申请实施例提供的进一步调整各VCSEL发射激光的频率，以实现CPT原子频率标准的过程，具体包括以下步骤：
S20401：将脉冲信号添加到所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上，使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL产生光脉冲信号。
在本申请实施例中，由于需要更加精准的频率作为进一步调整各VCSEL发射激光的频率差的参考，所以首先要更加精准确定第一和第二VCSEL发射的激光的频率差和更加精准的作为参考的频率。
而由于Ramsey干涉对应的Ramsey条纹谱线的中心频率，可以更加精准的反映原子基态两个超精细能级的频率差，所以该更加精准的作为参考的频率可以通过Ramsey条纹谱线的中心频率来确定，并且由于Ramsey干涉需要通过光脉冲信号来确定，所以本申请可以先将脉冲信号添加到所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上。
具体的，可以通过频率合成电路产生的微波信号保持步骤S201所述的预设频率及功率，并耦合在各VCSEL的输入电流上，控制芯片将脉冲信号添加到各VCSEL的输入电流上，使VCSEL输出周期的光脉冲信号。
S20402：线性调整耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上的微波信号。
在本申请实施例中，当控制芯片使频率合成电路产生微波信号后，为了获得Ramsey条纹谱线，该控制芯片还可以线性调整该微波信号的频率，具体可以是将该微波信号的频率由该频率合成电路所能产生的最小频率逐步增加到所能产生的最大频率，并且各不同频率的微波信号之间的频率差是一个定值(如，调整微波信号的频率范围为，0Hz～1000Hz，每个微波信号之间的频率差为10Hz，则频率合成电路所产生的微波信号频率的线性变化为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz等等，直到1000Hz)。
则当在步骤S20402中该第一和第二VCSEL的输入电流上加入周期脉冲信号，该第一和第二VCSEL将产生光脉冲信号时，耦合在该光脉冲信号上的微波也是线性调整的，并且该控制芯片可以通过第一光电探测器获得该光脉冲信号对应的电信号。
S20403：确定所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的第一拍频信号。
在本申请实施例中，前述的以该原子吸收谱线为参考调整该第一和第二VCSEL的发射激光的频率，由于该第一和第二VCSEL的激光频率的频率差不是精确地等于原子基态的两个超精细能级的频率差，所以该第一和第二VCSEL发射的激光并不能实现Ramsey干涉。
于是，进一步要实现该第一VCSEL和该第二VCSEL发射的激光产生Ramsey干涉，使控制芯片可以获得Ramsey条纹谱线，还需要进一步调整第二VCSEL发射的激光频率。而在进一步调整第二VCSEL发射的激光的频率之前，还先要确定该第一VCSEL与该第二VCSEL的拍频信号，即该第一VCSEL与该第二VCSEL发射的激光的载波的频率差。
具体的，控制芯片先确定该第一VCSEL发射的激光的+1或者-1级边带的频率，将该第二VCSEL的载波频率与该第一VCSEL发射的激光的+1级或者-1级边带频率对齐，即，该控制芯片调整该第二VCSEL的基频为该第一VCSEL的+1或者-1级边带频率。
则此时控制芯片可通过第二光电探测器将获得光信号转化为电信号传输给鉴频器，并通过该鉴频器将该第一VCESL的基频与调整后的第二VCSEL的基频对比后确定频率差，该频率差即为该第一VCSEL与该第二VCSEL的拍频。
另外，为了提高该第一和第二VCSEL的拍频信号的对比度，则实现CPT原子频率标准的装置还可以包括：四分之一波片和反光镜，其中：
四分之一波片，用于调整的线偏振激光的偏振方向，该第一VCSEL发射的激光经过偏振片后变为平行线偏振光后，该平行偏振光两次经过该四分之一波片后被旋转为垂直线偏振光，同理，该第二VCSEL发射的激光经过半波片后变为垂直线偏振光后，该垂直线偏振光两次经过该四分之一波片后被旋转为平行线偏振光；
反光镜，用于将垂直入射的激光按原光路反射线回去。
则此时，在图1所示的装置和图2所示的方法中，该第一VCSEL发射的激光中的部分激光经由极化分光镜的反射，通过四分之一波片到达反光镜，并由该反光镜反射经过该四分之一波片和该极化分光镜注入该第二VCSEL；该第二VCSEL发射的激光中的部分激光经过该极化分光镜和该四分之一波片到达该反光镜，并经由该反光镜反射经过该四分之一波片到达该极化分光镜，再由该极化分光镜反射注入该第一VCSEL。
并且，在图1所示的装置和图2所示方法中，第一VCSEL发射的激光中的部分激光通过极化分光镜与该第二VCSEL发射的激光中的部分激光经由极化分光镜的反射，合为一束激光之后，控制芯片可以控制第二光电探测器接收拍频信号，并且由于上述的装置和方法可以实现该第一和第二VCSEL发射激光的互注入，使得控制芯片通过第二光电探测器获取的拍频信号的对比度提高，有利于控制芯片控制该第二光电探测器获取拍频信号。
S20404：将所述拍频信号与所述预设的微波信号进行鉴频，获得拍频鉴频信号。
在本申请实施例中，由于在步骤S201中耦合在该第一和第二VCSEL的输入电流上的预设微波信号的频率，是用来作为调整该第一或者第二VCSE发射激光的频率的参考的，所以该微波信号的频率可以是图1中吸收泡内原子基态的两个超精细能级间的频率差，即，该第一和第二VCSEL发射激光的所需要频率差。
于是，可以将步骤S20403获得的拍频信号与该预设的微波信号进行鉴频，即对比该拍频信号的频率与该预设的微波信号的频率，获得拍频鉴频信号，而通过该拍频鉴频信号，控制芯片可以确定该第二VCSEL的电流调整量，并使该第一和第二VCSEL发射激光就可以实现Ramsey干涉。
具体的，控制芯片控制鉴频器对获得的拍频信号的频率和预设的微波信号的频率进行鉴频，并确定拍频鉴频信号，即，控制芯片可以确定该第一和第二VCSEL的拍频信号的频率与该预设的微波信号的频率之差。
S20405：根据所述拍频鉴频信号，调整所述第二VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光实现拉姆齐Ramsey干涉。
根据在步骤S20404中确定的该拍频鉴频信号，以及在图2中步骤S203中确定的该第二VCSEL发射的激光的频率偏移极性和幅度，在本申请实施例中可以进一步调整该第二VCSEL的输入电流，使得该第二VCSEL发射的激光频率做出相应的变化，从而使该第一和第二VCSEL发射的激光的拍频信号的频率等于预设微波信号的频率，以实现该第一VCSEL和该第二VCSEL发射的激光产生Ramsey干涉的目的。
具体的，控制芯片根据在步骤S20404中确定的该拍频鉴频信号，以及在步骤S203中确定的该第二VCSEL发射的激光的频率偏移极性和幅度，确定调整该第二VCSEL的电流调整量，控制芯片再根据该电流调整量调整输入该第二VCSEL的电流，使调整后的第二VCSEL发射的激光与该第一VCSEL发射的激光产生Ramsey干涉，则控制芯片通过第一光电探测器接收到的光脉冲信号可以是Ramsey条纹谱线对应的离散点。
S20406：根据记录的光脉冲信号，获取Ramsey干涉的条纹谱线。
在本申请实施例中，该控制芯片记录该第一光电探测器接收到的Ramsey条纹谱线对应的光脉冲信号，当控制芯片控制微波信号的发射源(即，频率合成电路)所产生的微波信号的频率，控制芯片确定获取的Ramsey干涉的条纹谱线为需要获取的Ramsey干涉的条纹谱线。
S20407：调整所述微波信号，使所述微波信号的频率等于所述确定的Ramsey条纹谱线的中心频率，作为调整后微波信号，并将所述调整后微波信号耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上。
在本申请实施例中，通过上述步骤S20401～S20406可以获得Ramsey条纹谱线的中心频率，而该频率即为图1所示装置中第一VCSEL和第二VCSEL发射的激光所需要的更加精准的频率差。
由于在本申请中可以利用微波信号作为调整该第一VCSEL或者第二VCSEL发射激光的频率的参考，所以本申请可以调整该预设的微波信号的频率，使该微波信号的频率等于该Ramsey条纹谱线的中心频率，并作为调整后的微波信号，并将该调整后微波信号耦合在该第一和第二VCSEL的输入电流上。
具体的，控制芯片根据获取的Ramsey条纹谱线，确定该Ramsey条纹谱线的中心频率，再微调耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上的微波信号，通过第一光电探测器将该第一和第二VCSEL发射的激光共同与吸收泡中的原子作用后产生的光信号转化为电信号后，该控制芯片再接收该电信号，并根据该电信号确定该第一和第二VCSEL发射的激光各级边带的频率偏移的极性和幅度(即，相对于微调微波信号前该第一和第二VCSEL发射的激光各级边带的频率偏移的极性和幅度)，则控制芯片可以根据该各级边带频率偏移的的极性和幅度，确定调整预设的微波信号的频率为Ramsey条纹谱线的中心频率所需的微波频率调整量，最后控制频率合成电路输出的微波信号的频率为Ramsey条纹谱线的中心频率。
S20408：判断调整所述第二VCSEL的输入电流后，所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号以及调整后的微波信号是否满足预设的条件，若满足则执行步骤S20409，若不满足则执行步骤S20410。
在本申请实施例中，通过上述步骤确定了更加准确的微波信号的频率(即，调整后的微波信号)，如图1所示的装置还可以根据调整后的微波信号，自动的调整该第二VCSEL，使该第一和第二VCSEL发射的激光的频率差准确的等于调整后的微波信号，则在本申请中是实力提供的方法过程中可以是，判断在步骤S20405调整该第二VCSEL的输入电流后，该第一和第二VCSEL的拍频信号，以及步骤S20407中该调整后的微波信号是否满足预设的条件。
具体可以是，与步骤S20403～S20404同样的原理，确定调整该第二VCSEL的输入电流后，该第一和第二VCSEL的拍频信号，再判断该拍频信号与调整后的微波信号是否相同，若相同则满足预设的条件，并执行步骤S20409，若不同则不满足预设的条件，并执行步骤S20410。
S20409：若满足，则不再调整所述第二VCSEL的输入电流。
在本申请实施例中，若满足预设条件，即该第一和第二VCSEL的拍频信号与微波信号相同，则认为当前该第一和第二VCSEL发射的激光的频率差为需要的频率差，可以不用进行后续调整，只需要保持CPT原子频率标准的频率输出即可。
S20410：若不满足，根据调整后的微波信号，返回步骤S20404.
在本申请实施例中，当不满足预设条件时，即该第一和第二VCSEL的拍频信号与微波信号不相同，由于通过步骤S20407，本申请确定了更加精确的微波信号的频率(即，Ramsey条纹谱线的中心频率)，则可以利用该调整后的微波信号的频率对该第一或者第二VCSEL的发射激光的频率进行进一步调整，使该第一和第二VCSEL发射的激光的载波频率的差为Ramsey条纹谱线的中心频率。
具体的，可以通过与步骤S20404相同的过程获得此时的拍拼鉴频信号，即调整后的拍拼鉴频信号。之后再根据该调整后的拍拼鉴频信号，继续调整该第二VCSEL的输入电流，直到该第一和第二VCSEL的拍频信号以及调整后的微波信号满足预设的条件为止，即，使该第一和第二的拍频信号与调整后的微波信号相同。
通过上述步骤便可以使图1中所示的吸收泡中的原子辐射更加精准的CPT原子频率标准，则控制芯片通过第一光电探测器便可以获得更加精准的CPT原子频率标准，最终达到实现更加精准的CPT原子频率标准输出的目的。
上述进一步实现CPT原子频率标准的方法，通过利用微波信号作为实现Ramsey干涉的参考，再根据当前获得的Ramsey干涉的条纹谱线作为调整微波信号频率的依据，最后再利用调整后的微波信号作为调整第一或者第二VCSEL发射激光的载波频率(即，激光的基频)的依据，实现使该第一和第二VCSEL发射激光的载波的频率差更加精准的吻合吸收泡中原子基态的两个超精细能级的频率差的目的，从而实现了提高CPT原子频率标准的信号对比度的效果，且由于本申请图1所示的装置结构、图2以及图3所示的方法，使得本申请可以方便的调整CPT原子频率标准，有利于CPT原子频率标准的稳定。
另外，在本申请中，由于随着时间的推移，图1中所示的装置可能产生微小的变化(如，温度漂移、频率漂移等)使得通过图2或图3实现的CPT原子频率标准的对比度、精准度下降，所以本申请还可以通过大量的实验确定图1所示的装置随时间推移时出现CPT原子频率标准的对比度下降的程度，当该下降的幅度达到阈值时，则重复图2所示的方法，调整第一和第二VCSEL的输入电流，使该第一和第二VCSEL发射的激光的频率差等于原子基态的两个超精细能级的频率差。也即，可预设一些时间条件，当满足预设的时间条件时，重新将第一VCSEL的输入电流调整为原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，重新将第二VCSEL的输入电流调整为原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流。当然，也可以重复图3所示的方法，再次获得图1所示装置对应的Ramsey条纹谱线的中心频率，并调整该第一或者第二VCSEL的输入电流，使该第一和第二VCSEL发射的激光的频率等于该Ramsey条纹谱线的中心频率。
进一步的，在本申请中图1所示的装置也可以解决其他新构型的CPT原子频率标准的装置的问题，如：相对于Push-Pull构型的CPT原子频率标准的装置，本申请提供的装置没有外腔体积的限制；
相对于Lin//Lin构型的CPT原子频率标准的装置，本申请提供的装置不需要吸收泡中原子基态的两个超精细能级可分辨；
相对于四波混频构型的CPT原子频率标准的装置，本申请提供的装置不需要增加Rb85滤光泡；
相对于σσ+π构型的CPT原子频率标准的装置，本申请提供的装置不需要复杂的非共线光路；
相对于σ+σ++σ-σ-构型的CPT原子频率标准的装置，本申请提供的装置不需要调节两个圆偏振光的左旋及右旋的相对相位。
另外，基于图1所示的装置，以及图2、图3所示的方法，本申请还提供一种实现CPT原子频率标准的装置的详细结构示意图，如图4所示：
图4为本申请实施例提供的一种实现CPT原子频率标准的装置的详细结构示意图，包括：
第一VCSEL401、第二VCSEL402、偏振片403、半波片404、极化分光镜405、控制芯片406、第一耦合电路407、第二耦合电路408、吸收泡409、四分之一波片410、反光镜411、非极化分光镜412、第一光电探测器413、第二光电探测器414、电流转换电压电路415、第一模数转换芯片416、第二模数转换芯片417、第一数模转换芯片418、第二数模转换芯片419、第三数模转换芯片420、第一电压转换电流电路421、第二电压转换电流电路422、晶振423、频率合成电路424、鉴频器425。
第一VCSEL401、第二VCSEL402用于根据输入电流的不同，发射不同频率的激光；
偏振片403，用于调整该第一VCSEL401发射的线偏振光的偏振方向；
半波片404，用于将该第二VCSEL101发射的线偏振激光转化为与之垂直的线偏振光；
极化分光镜405，用于反射入射光的S偏振光，并使P偏振光通过；
控制芯片406，用于调整输入第一VCSEL401、第二VCSEL402的输入电流，使该第一VCSEL101和该第二VCSEL102发射的激光与吸收泡108中的原子相互作用，实现CPT原子频率标准的频率输出；
第一耦合电路407，用于将微波信号耦合在第一VCSEL401的输入电流上；
第二耦合电路408，用于将微波信号耦合在第二VCSEL402的输入电流上；
吸收泡409，用于储存对应的原子单质或者对应的原子单质和惰性气体；
四分之一波片410，用于将两次通过的线偏振光转换为与之垂直的线偏振光；
反光镜411，用于将垂直入射的激光按原光路反射线回去；
第一光电探测器413、第二光电探测器414，用于将接受的光信号转化为电信号；
电流转换电压电路415，用于将电流信号转化为电压信号；
第一模数转换芯片416、第二模数转换芯片417，用于将模拟信号转化为数字信号；
第一数模转换芯片418、第二数模转换芯片419、第三数模转换芯片420，用于将数字信号转化为模拟信号；
第一电压转换电流电路421、第二电压转换电流电路422，用于将电压信号转化为电流信号；
晶振423，用于根据输入的电压信号的不同，输出不同的频率；
频率合成电路424，用于将晶振10MHz信号倍频合成6.8GHz微波信号；
鉴频器425，用于确定输入的不同信号的频率差；
非极化分光镜412，用于将射入的激光的一部分折射，使部分激光的光路经过非极化分光镜后呈90°反射(即，该部分激光在非极化分光镜412中的反射角为45°)后，射入第二光电探测器402，余下未被反射的激光则通过该非极化分光镜412射入吸收泡108中，并最终射入第一光电探测器401。
则，在图3所述步骤S20403中，经过极化分光镜后合为一束激光再次射入非极化分光镜，一部分经过非极化分光的反射被第二光电探测器接收，余下的部分通过非极化分光镜与吸收泡中的原子相互作用后，被第一光电探测器接收。使控制芯片可以通过第二光电按探测器获取的拍频信号。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种实现CPT原子频率标准的方法，其特征在于，第一纵腔面发射激光器VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中；所述方法包括：
将预设的微波信号耦合在第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流上，其中，所述第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流不同，所述微波信号的功率使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光的各级边带总能量低于预设阈值；
线性调整所述第一VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL发出的线性变化的激光和所述第二VCSEL发出的激光共同与吸收泡中的原子作用，获得对应的原子吸收谱线；
根据获得的所述原子吸收谱线，将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流；
根据调整输入电流后的第一VCSEL和第二VCSEL发出的激光与吸收泡中的原子作用，实现CPT原子频率标准的频率输出；其中，
将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，具体包括：
微调所述第一VCSEL的输入电流；
将微调后第一VCSEL发射的激光的光信号转化为电信号；
根据所述电信号，获得微调后所述第一VCSEL发射的激光相对于微调前所述第一VCSEL发射的激光的频率偏移的极性和幅度；
根据所述极性、幅度、与最大吸收峰值对应的电流所对应的电信号，确定所述第一VCSEL所需调整的电流调整量；
根据所述电流调整量，调整所述第一VCSEL的输入电流；
将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流，具体包括：
微调所述第二VCSEL的输入电流；
将微调后第二VCSEL发射的激光的光信号转化为电信号；
根据所述电信号，获得微调后所述第二VCSEL发射的激光相对于微调前所述第二VCSEL发射的激光的频率偏移的极性和幅度；
根据所述极性、幅度、与最小吸收峰值对应的电流所对应的电信号，确定所述第二VCSEL所需调整的电流调整量；
根据所述电流调整量，调整所述第二VCSEL的输入电流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一VCSEL发射的激光中的部分激光经由极化分光镜的反射，通过四分之一波片到达反光镜，并由所述反光镜反射经过所述四分之一波片和所述极化分光镜注入所述第二VCSEL；所述第二VCSEL发射的激光中的部分激光经过所述极化分光镜和所述四分之一波片到达所述反光镜，并经由所述反光镜反射经过所述四分之一波片到达所述极化分光镜，再由所述极化分光镜反射注入所述第一VCSEL；
根据调整输入电流后的第一VCSEL和第二VCSEL发出的激光与吸收泡中的原子作用，实现CPT原子频率标准的频率输出，具体包括：
将脉冲信号添加到所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上，使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL产生光脉冲信号；
线性调整耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上的微波信号；
根据所述第一VCSEL和所述第二VCSEL产生的光脉冲信号，确定所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号；
将所述拍频信号与所述微波信号进行鉴频，获得拍频鉴频信号；
根据所述拍频鉴频信号，调整所述第二VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光实现拉姆齐Ramsey干涉；
根据所述光脉冲信号，获取Ramsey干涉的条纹谱线；
调整所述微波信号，使所述微波信号的频率等于所述确定的Ramsey条纹谱线的中心频率，作为调整后微波信号，并将所述调整后微波信号耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上；
判断调整所述第二VCSEL的输入电流后，所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号以及调整后的微波信号是否满足预设的条件；
若满足，则不再调整所述第二VCSEL的输入电流；
若不满足，则根据所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号，与调整后的微波信号进行鉴频，获得调整后的拍频鉴频信号，根据所述调整后的拍频 鉴频信号，继续调整所述第二VCSEL的输入电流，直到所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号以及调整后的微波信号满足预设的条件为止，以实现CPT原子频率标准的频率输出。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
调整所述微波信号，使所述微波信号的频率等于所述确定的Ramsey条纹谱线的中心频率，具体包括：
微调所述微波信号，并将微调后的微波信号耦合在所述第一VCSEL和第二VCSEL上；
将所述第一VCSEL和第二VCSEL发射的激光共同与吸收泡中的原子作用后产生的光信号转化为电信号；
根据所述电信号，获得微调所述微波信号后，所述第一VCSEL和所述第二VCSEL分别发射的激光的边带频率偏移的极性和幅度；
根据所述极性、幅度、所述Ramsey条纹谱线的中心频率，确定所述微波信号所需调整的微波频率调整量；
根据所述微波频率调整量，调整所述微波信号的频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据预设的时间条件，当满足所述时间条件时，重新将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，重新将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
线性调整所述第一VCSEL的输入电流之前，所述方法还包括：
降低所述第二VCSEL的输入电流。
6.一种实现CPT原子频率标准的装置，其特征在于，所述装置包括：第一VCSEL、第二VCSEL、偏振片、半波片、极化分光镜、控制芯片、耦合电路、吸收泡；其中：
第一VCSEL经过偏振片发射的激光与第二VCSEL经过半波片发射的激光垂直相交于极化分光镜中；
耦合电路，用于将预设的微波信号耦合在第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流上，其中，所述第一VCSEL和第二VCSEL的输入电流不同，所述微波信号的功率使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光的各级边带总能量低于预设阈值；
控制芯片，用于线性调整所述第一VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL发出的线性变化的激光和所述第二VCSEL发出的激光共同与吸收泡中的原子作用，获得对应的原子吸收谱线，根据获得的所述原子吸收谱线，将所述第一VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最大吸收峰值对应的电流，将所述第二VCSEL的输入电流调整为所述原子吸收谱线的最小吸收峰值对应的电流，根据调整输入电流后的第一VCSEL和第二VCSEL发出的激光与吸收泡中的原子作用，实现CPT原子频率标准的频率输出；
所述控制芯片具体用于，微调所述第一VCSEL的输入电流，通过控制第一光电探测器将微调后的第一VCSEL发射的激光的光信号转化为电信号，根据所述电信号，获得微调后所述第一VCSEL发射的激光相对于微调前所述第一VCSEL发射的激光的频率偏移的极性和幅度，根据所述极性、幅度、与最大吸收峰值对应的电流所对应的电信号，确定所述第一VCSEL所需调整的电流调整量，根据所述电流调整量，调整所述第一VCSEL的输入电流；微调所述第二VCSEL的输入电流，控制第一光电探测器将微调后的第二VCSEL发射的激光的光信号转化为电信号，根据所述电信号，获得微调后所述第二VCSEL发射的激光相对于微调前所述第二VCSEL发射的激光的频率偏移的极性和幅度，根据所述极性、幅度、与最小吸收峰值对应的电流所对应的电信号，确定所述第二VCSEL所需调整的电流调整量，根据所述电流调整量，调整所述第二VCSEL的输入电流。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述装置还包括：四分之一波片、反光镜；其中：
所述第一VCSEL发射的激光中的部分激光经由极化分光镜的反射，通过四分之一波片到达反光镜，并由所述反光镜反射经过所述四分之一波片和所述极化分光镜注入所述第二VCSEL；
所述第二VCSEL发射的激光中的部分激光经过所述极化分光镜和所述四分之一波片到达所述反光镜，并经由所述反光镜反射经过所述四分之一波片到达所述极化分光镜，再由所述极化分光镜反射注入所述第一VCSEL；
所述控制芯片具体用于，将脉冲信号添加到所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上，使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL产生光脉冲信号，线性调整耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上的微波信号，控制第二光电探测器将所述第一VCSEL和所述第二VCSEL产生的光脉冲信号转化为电信号，并控制鉴频器确定所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号，将所述拍频信号与所述微波信号进行鉴频，获得拍频鉴频信号，根据所述拍频鉴频信号，调整所述第二VCSEL的输入电流，使所述第一VCSEL和所述第二VCSEL发射的激光实现拉姆齐Ramsey干涉，控制第一光电探测器将光脉冲信号转化为对应的电信号，根据所述光脉冲信号对应的电信号，获取Ramsey干涉的条纹谱线，调整所述微波信号，使所述微波信号的频率等于所述确定的Ramsey条纹谱线的中心频率，将所述调整后微波信号耦合在所述第一VCSEL和所述第二VCSEL的输入电流上，判断调整所述第二VCSEL的输入电流后，所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号以及调整后的微波信号是否满足预设的条件，若满足，则不再调整所述第二VCSEL的输入电流，若不满足，则根据所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号，与调整后的微波信号进行鉴频，获得调整后的拍频鉴频信号，根据所述调整后的拍频 鉴频信号，继续调整所述第二VCSEL的输入电流，直到所述第一VCSEL与所述第二VCSEL的拍频信号以及调整后的微波信号满足预设的条件为止，以实现CPT原子频率标准的频率输出。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述控制芯片具体用于，微调所述微波信号，并将微调后的微波信号耦合在所述第一VCSEL和第二VCSEL上，控制第一光电探测器将所述第一VCSEL和第二VCSEL发射的激光共同与吸收泡中的原子作用后产生的光信号转化为电信号，根据所述电信号，获得微调所述微波信号后所述第一VCSEL和所述第二VCSEL分别发射的激光的边带频率偏移的极性和幅度，再根据所述极性、幅度、所述Ramsey条纹谱线的中心频率，确定所述微波信号所需调整的微波频率调整量，根据所述微波频率调整量，调整所述微波信号的频率。
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Also Published As
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