CN105991133A - 同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种同步相干光场激励的CPB原子钟及其实现方法，该原子钟的激光器包括激励和探测激光器，分别用于产生相干激励激光和相干探测激光；本地振荡器产生的本地振荡信号经过频率综合系统得到原子基态能级跃迁频率附近微波信号，调制激光器产生两个相干激光模式；探测和激励光束同时作用于原子气室，光束在原子气室内重合；透过原子气室的探测激光被光电探测器接收，通过连续激励同时连续探测得到连续不衰减的CPB振荡信号，经频率分析得到中心频率，对频率漂移进行补偿获得以原子跃迁频率为基准的标准输出频率信号。本发明解决了CPB振荡信号随时间迅速衰减的问题，提高测量准确性和CPB原子钟稳定性水平。

Description

同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法

技术领域

本发明涉及相干布居数拍频原子钟，尤其涉及一种同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法。

背景技术

相干布居数拍频原子钟是一种基于相干布居数拍频(coherent population beating，CPB)现象的频率直接读取式原子钟。使用受微波信号调制的激光器产生的两束锁定到原子跃迁频率的、有一定频率差ω₂₁的相干光入射原子气室，当ω₂₁与原子基态超精细分裂频率Δ₂₁相等时，原子将被囚禁在两个基态能级，不再吸收光子而跃迁到激发态，这个现象称为相干布居数囚禁(coherent population trapping，CPT)。当系统处于CPT态时，若瞬间改变两个相干光场频率差使ω₂₁≠Δ₂₁，那么此时将有一部分粒子被激发到上能级，导致激光透过光强的随时间的振荡，振荡频率Δ＝|ω₂₁-Δ₂₁|，此即CPB振荡信号。探测此振荡频率及其漂移，即可获知调制激光器的微波信号源频率ω₂₁相对于原子超精细分裂频率Δ₂₁的差值Δ及其漂移。对上述微波频率进行补偿，就可以得到以原子跃迁频率为基准的稳定的输出频率作为原子钟标准频率。此即相干布居数拍频原子钟的工作原理。

以上方法需采用方波信号周期性的调制微波频率，先用无失谐的光场将原子制备到CPT态，再用有失谐的光场探测振荡信号。然而，CPB振荡是原子体系演化过程中基态能级相干度趋于平衡值过程中的弛豫振荡，其振幅随基态能级相干度的衰减而迅速衰减至零。衰减振荡信号频谱具有较宽的线宽，与CPT共振峰线宽相等，这对准确测定其振荡中心频率十分不利，从而制约原子钟的稳定性。同时，这种方法需要反复周期性激励才能进行测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种基于同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法，通过连续激励同时连续探测的方法，得到不衰减的CPB连续振荡信号，通过CPB连续振荡信号的频率对微波源频率的漂移进行补偿，获得以原子跃迁频率为基准的原子钟标准输出频率信号，从而解决相干布居数拍频(CPB)振荡信号随时间迅速衰减的问题，提高CPB原子钟稳定性水平。

本发明的原理是：在现有的相干布居数拍频原子钟系统中，需采用方波信号周期性的调制微波频率：先用无失谐的光场将原子制备到CPT态，再用有失谐的光场探测CPB振荡信号的频率及其漂移。本发明在两束有失谐的探测激光之外，另加两束激励光场，其频率差对准CPT共振频率，将原子制备实时到CPT囚禁态，从而保持下能级相干性不衰减，此时检测探测光的透射光得到的CPB振荡信号将不再随时间衰减。通过这种连续激励同时连续探测的方法，得到不衰减的CPB连续振荡信号，通过CPB连续振荡信号的频率对微波源频率的漂移进行补偿，从而获得以原子跃迁频率为基准的原子钟标准输出频率信号。连续CPB振荡信号的线宽极窄，振荡中心频率的探测将更加精确，从而提高CPB原子钟稳定性水平。

本发明提供的技术方案是：

一种同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟的实现方法，包括如下步骤：

1)通过相干激励激光连续激励处于原子气室中的原子，使原子基态能级保持相干性，同时，用相干探测激光照射原子气室中的原子；

2)通过光电探测器检测探测激光的透射光强，得到不衰减的连续CPB振荡信号；

3)通过频率分析方法，得到不衰减的连续CPB振荡信号的频率；

4)通过不衰减的连续CPB振荡信号的频率补偿产生探测激光微波调制的微波源的漂移，即获得同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟的标准输出频率。

上述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟的实现方法中，进一步地，

步骤1)所述相干激励激光是由激励激光器产生的两束频率差锁定到CPT共振频率的相干激励激光；激励激光与探测激光的传输方向可以相同或相反；在本发明实施例中，激励激光与探测激光的传输方向相反，激励激光与探测激光传输方向相反有利于将探测激光和激励激光分开，并有防止倍频信号干扰的优点。

步骤1)原子气室中的原子可选用铷(Rb)或铯(Cs)等碱金属原子气体，原子气室内可以充惰性缓冲气体以减少碰撞增宽。在本发明实施例中，原子气室中的原子为⁸⁷Rb。

在本发明实施例中，步骤1)中，相干探测激光与相干激励激光的传输方向相反；相干探测激光为两束频率差与基态超精细分裂频率有一失谐量Δ的相干探测激光。失谐量Δ在几Hz到100kHz。在本发明实施例中，失谐量Δ选为3kHz。

步骤3)中，优选地，可以采用两种频率分析的方法：一种方法是先对振荡信号进行数字化采样，对采集得的信号作快速傅里叶变换(FFT)，从而得到频谱的中心频率；另一种方法是先通过整形电路将振荡信号变为方波，再使用方波上升沿激发测量门限，通过对比门限内标准信号个数以及待测信号个数，求得振荡频率。这两种方法均可以由现场可编程门阵列(FPGA)芯片配合相应的整形、采样等电路部分来实现。

步骤4)中，频率补偿通过直接数字式频率合成器(DDS)来实现，实现方法具体为：DDS采用本地振荡器OCXO作为基准，DDS的频率控制字由FPGA提供，DDS的输出信号作为原子钟的标准输出信号。OCXO的漂移将反映为调制激光器的微波频率的漂移，同时也反映为DDS输出信号的漂移。FPGA将经过数字处理获得的CPB信号及其漂移量通过更改频率控制字对DDS输出信号频率的漂移进行修正，就可获得以原子基态超精细能级跃迁为基准的原子钟输出标准频率信号。

一种由上述方法实现的同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟，包括原子气室、激光器、激光器的驱动电流源、锁相放大器、频率综合系统、激光器的温控系统、光电探测器、振荡频率分析处理系统和本地振荡器；其中，激光器包括激励激光器和探测激光器，分别用于产生相干激励激光和相干探测激光；本地振荡器产生的本地振荡信号经过频率综合系统后，得到原子基态能级跃迁频率附近微波信号，用于调制激光器，使之产生具有以该微波频率为频率差的两个相干激光模式；探测激光和激励激光光束在原子气室内重合；透过原子气室的探测激光被光电探测器接收，得到连续不衰减的CPB振荡信号，经振荡频率分析处理系统分析得到CPB振荡信号的中心频率。

上述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟还包括原子气室的磁屏蔽系统、轴向磁场系统和气室的控温系统；气室需要增加磁屏蔽系统以减少地磁场对原子能级的影响。气室外需加轴向磁场系统以使原子塞曼子能级相互分开。气室需要控温系统控制在合适的工作温度。

探测激光器和激励激光器的波长均应锁定在原子基态能级到激发态能级的某条跃迁谱线上，波长锁定可以由锁相放大器接受光电探测器测得信号的误差信号并反馈至激光器的驱动电流源实现。

本地振荡器可以采用恒温晶体振荡器(OCXO)，产生的本地振荡信号经过频率综合系统后，得到原子基态能级跃迁频率附近微波信号，用于调制激光器，使之产生具有以该微波频率为频率差的两个相干激光模式。对于激励激光器，这个频率差应对准CPT共振频率，并且推荐通过一个包括锁相放大器的反馈环路锁定到CPT共振频率。对于探测激光器，这个频率应与CPT共振频率有一定的失谐量Δ，即处于CPB状态，失谐量大小可以设定在数Hz至100kHz之间。优选地，探测和激励激光器可用垂直腔面发射激光器(VCSEL)；但也可选用其他激光器。优选地，调制方法可使用电流内调制；但也可以使用声光调制等外调整。

探测激光器或激励激光器产生的激光需经过二分之一玻片、偏振分束器(PBS)、四分之一玻片等装置，以获得圆偏振光，从而满足原子基态与激发态间跃迁的偏振条件。激励激光器发出的激励光的圆偏振方向可以与探测激光器发出的探测光相同也可以与探测光相反。圆偏振了的探测光和激励光光束应在原子气室内重合，以保证作用于同一群粒子。

透过原子气室的探测光被光电探测器接收，可以探测得到连续不衰减的CPB振荡信号。测得的信号要分出两路，第一路用于将探测激光器的波长锁定于原子吸收谱线上，第二路用于经振荡频率分析处理系统分析得到CPB振荡信号的中心频率。

上述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟还包括本地振荡器的频率补偿与输出系统；本地振荡器的频率补偿与输出系统用于实现本地振荡器的频率补偿与输出。优选地，可使用直接数字式频率合成器(DDS)来实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法，通过使用连续的CPT激励光，使得基态超精细能级间相干性得以保持，能够消除由于相干性衰减导致的CPB振荡信号随时间衰减的问题，因而能够得到不衰减的连续的振荡信号，使待测的CPB振荡信号的谱线线宽远小于现有的单向间歇激励方法所获得的线宽，从而解决相干布居数拍频(CPB)振荡信号随时间迅速衰减的问题。

本发明可提高测量的准确性和原子钟的稳定度：由于不衰减CPB振荡的频率测量的准确性得到很大的提高，基于本发明提供方法实现的CPB原子钟的稳定度也得到提高。

附图说明

图1是本发明实施例中反向相干光场激励的CPB原子钟系统的结构框图；

其中，VCSEL1和VCSEL2代表垂直腔面发射激光器，分别用于产生探测激光和激励激光，M1和M2代表反射镜，λ/4代表四分之一玻片，PBS1和PBS2代表两个偏振分束器，cell代表原子气室，PD代表光电探测器。

图2是本发明实施例中激励激光器的CPT共振锁定系统的电路图。

图3是本发明实施例中Rb原子能级与激励激光、探测激光相互作用的示意图；

其中，F或F’用于标记超精细子能级，本图顶端或底端从左到右-2到+2的数字代表超精细能级的磁子能级，Δ₂₁表示基态能级超精细分裂频率，ω₂₁表示两束探测光的频率差，CPT表示两束频率差对准Δ₂₁的激励光，CPB表示两束频率差为ω₂₁的探测光，σ+和σ-分别表示左旋和右旋圆偏振性。

图4是本发明实施例中CPB振荡频率分析及频率补偿系统的电路图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本实施例中，原子钟为反向相干光场激励的CPB原子钟系统，包括⁸⁷Rb原子气室、气室的磁屏蔽系统、轴向磁场系统、气室的控温系统、两只VCSEL激光器分别作为激励激光器和探测激光器、两套VCSEL激光器驱动电流源、三套锁相放大器、两套频率综合系统、两套VCSEL激光器温控系统、光电探测器、振荡频率分析系统(采用方波整形电路和FPGA芯片)、本地振荡器(采用OCXO晶振)、本地振荡器的频率补偿与输出系统(采用DDS芯片)。图1是本发明实施例中反向相干光场激励的CPB原子钟系统的结构框图。其中，VCSEL1和VCSEL2代表垂直腔面发射激光器，分别用于产生探测激光和激励激光，M1和M2代表反射镜，λ/4代表四分之一玻片，PBS1和PBS2代表两个偏振分束器，cell代表原子气室，PD代表光电探测器。

如图2所示，本实施例中CPB原子钟系统的实现方法是：使用两束频率差锁定到CPT共振频率的相干激励激光激励处于原子气室中的⁸⁷Rb原子，使原子基态能级保持相干性，与此同时，用反向两束频率差与基态超精细分裂频率有一定失谐量Δ的相干探测激光照射原子，用光电探测器检测其投射光强，可得连续的CPB振荡信号，分析CPB振荡频率及其漂移，并补偿产生探测激光器微波调制的微波源的漂移，即可获得标准输出频率。

原子气室充⁸⁷Rb原子气体以及缓冲气体。原子气室需置于磁屏蔽中，并加轴向磁场。原子气室需控温在合适温度。两只VCSEL激光器的光波长都锁定在⁸⁷Rb原子D1线跃迁频率上。VCSEL2作为激励激光器，其调制频率锁定在CPT要求的状态，即两激光场频率差等于⁸⁷Rb原子基态超精细分裂。VCSEL1作为探测激光器，与激励激光器反向传输，频率调制到并处于CPB状态，即其两个光场的频率差对原子基态超精细分裂有一个小失谐Δ，这个失谐量Δ在本实施例中选为3kHz。图2是本发明实施例中激励激光器的CPT泵浦锁定系统的电路图，激励激光器的频率调制与锁定如图2所示。作为本地振荡器的OCXO产生的标准信号经过倍频后得到大小等于⁸⁷Rb基态超精细分裂频率的微波信号，用于调制VCSEL激光器的驱动电流，从而产生两束具有以超精细分裂频率为频率差的相干激光。激光器的波长通过锁相放大器的反馈锁定到⁸⁷Rb原子D1线的跃迁频率上，而调制频率则锁定在CPT共振频率处。PBS和λ/4玻片的作用是产生圆偏振光，以符合跃迁的选择定则。Rb原子能级与激励激光、探测激光频率的关系如图3所示，激励光与探测光均锁定在⁸⁷Rb原子吸收线上，激励光频率差对准CPT共振频率，以保持基态原子相干性，而探测光与CPT态存在失谐量Δ，用于产生CPB振荡。

探测激光和激励激光相向传输，探测光与激励光同时作用于原子气室，光束在原子气室内重合，作用于同一群粒子。此时由于激励光是连续的，原子基态能级间的相干性得以保持，探测光失谐所造成的粒子跃迁几率振荡将不再由于能级退相干而衰减。因此光电探测器将测得一个不衰减的连续振荡信号，其振荡频率即微波源信号的频率与原子基态超精细分裂频率的差频。

通过光电探测器，对透过原子气室的探测光强度的探测，即可以得到CPB振荡的频率数据。图4是CPB频率探测及补偿频率输出电路的示意图。光电探测器测得信号一路用于锁定激光器波长，另一路则需要经过处理后用以获悉CPB振荡频率。通过数模转换(ADC)而后进行数字信号处理(DSP)，对获得的正弦振荡信号进行整形，使其转化为同频率的方波，而后进行等精度测量，即使用方波上升沿激发测量门限，通过对比门限内标准信号个数以及待测信号个数，求得振荡频率，从而获得CPB振荡频率。应用探测到的CPB振荡频率对微波源频率的漂移进行补偿就可以获得以原子跃迁频率为基准的原子钟标准输出频率信号。补偿采用FPGA控制DDS频率控制字的方法。DDS采用本地振荡器OCXO作为基准，DDS的频率控制字由FPGA提供，DDS的输出信号作为原子钟的标准输出信号。OCXO的漂移将反映为调制激光器的微波频率的漂移，同时也反映为DDS输出信号的漂移。FPGA将经过数字处理获得的CPB信号及其漂移量通过更改频率控制字对DDS输出信号频率的漂移进行修正，就可获得以原子基态超精细能级跃迁为基准的原子钟输出标准频率信号。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟的实现方法，包括如下步骤：

1)通过相干激励激光连续激励处于原子气室中的原子，使原子基态能级保持相干性，同时，用相干探测激光照射原子气室中的原子；

2)通过光电探测器检测探测激光的透射光强，得到不衰减的连续CPB振荡信号；

3)通过频率分析方法，得到不衰减的连续CPB振荡信号的频率；

4)通过不衰减的连续CPB振荡信号的频率补偿产生探测激光微波调制的微波源的漂移，获得同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟的标准输出频率。

2.如权利要求1所述相干布居数拍频原子钟的实现方法，其特征是，步骤1)所述相干激励激光是由激励激光器产生的两束频率差锁定到CPT共振频率的相干激励激光。

3.如权利要求1所述相干布居数拍频原子钟的实现方法，其特征是，步骤1)所述激励激光与探测激光的传输方向相同或相反。

4.如权利要求1所述相干布居数拍频原子钟的实现方法，其特征是，步骤1)所述相干探测激光为两束频率差与CPT共振频率有一失谐量Δ的相干探测激光。

5.如权利要求1所述相干布居数拍频原子钟的实现方法，其特征是，步骤1)所述原子气室中的原子为铷Rb或铯Cs；所述原子气室内充惰性缓冲气体。

6.如权利要求1所述相干布居数拍频原子钟的实现方法，其特征是，步骤3)所述频率分析方法包括两种：一种方法是先对振荡信号进行数字化采样，对采集得的信号作快速傅里叶变换，得到频谱的中心频率；另一种方法是先通过整形电路将振荡信号变为方波，再使用方波上升沿激发测量门限，通过对比门限内标准信号个数以及待测信号个数，得到振荡频率。

7.一种由权利要求1所述方法实现的同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟，包括原子气室、激光器、激光器的驱动电流源、激光器的温控系统、锁相放大器、频率综合系统、光电探测器、振荡频率分析处理系统和本地振荡器；其特征是，激光器包括激励激光器和探测激光器，分别用于产生相干激励激光和相干探测激光；本地振荡器产生的本地振荡信号经过频率综合系统后，得到原子基态能级跃迁频率附近微波信号，用于调制激光器使之产生两个相干激光模式；探测激光和激励激光同时作用于原子气室，光束在原子气室内重合；透过原子气室的探测激光被光电探测器接收，得到连续不衰减的CPB振荡信号，经振荡频率分析处理系统分析得到CPB振荡信号的中心频率。

8.如权利要求7所述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟，其特征是，所述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟还包括原子气室的磁屏蔽系统、轴向磁场系统和控温系统；所述磁屏蔽系统使得原子气室减少地磁场对原子能级的影响；所述轴向磁场系统用于使原子塞曼子能级相互分开；所述控温系统用于控制原子气室处于合适的工作温度。

9.如权利要求7所述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟，其特征是，所述探测激光器和激励激光器的波长均锁定在原子基态能级到激发态能级的跃迁谱线上。

10.如权利要求7所述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟，其特征是，所述同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟还包括本地振荡器的频率补偿与输出系统，用于实现本地振荡器的频率补偿与输出。