CN106773612B - 提高原子钟频率稳定度的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高原子钟频率稳定度的系统，该系统包括光学系统、物理系统、微波频率综合器、受控晶振和原子钟控制系统，利用光脉冲进行量子态制备，接着利用两个时间间隔为T的π/2微波脉冲探询原子态，最后基于正交偏振光探测技术获得线宽为1/(4T)的拉姆齐条纹，这一线宽比通常的1/(2T)线宽减小一半，从而提高原子钟的频率稳定度。本发明可以消除光频移、抑制激光噪声、压缩拉姆齐条纹线宽，从而提高原子钟的频率稳定度。

Description

提高原子钟频率稳定度的系统及方法
技术领域
本发明涉及被动型气泡式原子钟，尤其是一种提高原子钟频率稳定度的系统和方法。本发明可以获得线宽为1/(4T)的拉姆齐条纹(T是两个微波脉冲之间的时间间隔)，比通常的1/(2T)线宽减小一半，从而提高原子钟的频率稳定度。
背景技术
导航定位、高速无线通信和高分辨率的光谱等应用领域对更高稳定度的时间频率信号源的需求愈加迫切。铷原子钟由于频率稳定度高，体积小巧，便于携带的特点得到了广泛应用。
对于脉冲运行原子钟，表征其频率稳定度的Allan方差可以表示为：
其中τ为取样时间，TC为原子钟的工作周期，Q＝v0/Δv为跃迁谱线的品质因子，Δv为拉姆齐条纹的半高全宽，v0为钟跃迁频率，S/N为拉姆齐条纹的信噪比。对于确定的共振频率，原子跃迁谱线的Q值越高，即线宽越窄，则原子钟的频率稳定度就越好。因此压缩拉姆齐线宽是提高原子钟频率稳定度的有效途径。
脉冲光抽运气泡式铷原子钟结合脉冲光抽运制备量子态和时域拉姆齐分离振荡场技术获得拉姆齐干涉条纹，它的每个周期包括脉冲光抽运、微波脉冲探询和检测原子跃迁几率这三个在时间上完全分开的阶段，因此从原理上可以消除光频移，而且可以最大化地利用原子钟跃迁能级间的相干时间，压窄原子跃迁谱线的宽度。脉冲光抽运气泡式铷原子钟通常采用吸收法检测通过原子介质后的光强变化获得拉姆齐条纹，此方法由于存在强的背景光，获得的拉姆齐条纹对比度不超过30％，并且线宽等于1/(2T)。(参考文献：Micalizio S,Calosso C E,Godone A,et al.Metrological characterization of thepulsed Rb clock with optical detection[J].Metrologia,2012,49(4):425.)
林锦达等(中国专利：CN102799103A，具有高对比度鉴频信号的铷原子钟)通过将两个正交的格兰泰勒棱镜放在物理系统的前后两端，利用基于磁光旋转效应的正交偏振光探测技术，可以消除背景光强，提高探测灵敏度，获得对比度大于90％的跃迁谱线。但是在他采用的原子钟方案中连续微波和光同时作用于原子系统，因此存在光频移，并且谱线宽度受激光和微波功率影响，影响原子钟性能。
发明内容
本发明针对通常脉冲原子钟拉姆齐条纹线宽只能达到1/(2T)的局限，将脉冲光抽运原子钟技术和正交偏振光探测技术相结合，基于磁光旋转效应压缩拉姆齐条纹线宽达到1/(4T)，从而提高原子钟的频率稳定度。为解决上述技术问题本发明的技术解决方案包括以下两个方面。
在本发明内容的第一方面中，提供了一种提高原子钟频率稳定度的系统，该系统包括光学系统、物理系统、微波频率综合器、受控晶振和原子钟控制系统，上述部件的连接关系如下：
所述的光学系统的输入端与所述的原子钟控制系统的第一输出端相连，所述的光学系统的输出端与所述的物理系统的第一输入端相连；
所述的物理系统的第二输入端与所述的微波频率综合器的输出端相连，所述的物理系统的输出端与所述的原子钟控制系统输入端相连；
所述的微波频率综合器的第一输入端与所述的原子钟控制系统的第二输出端相连，所述的微波频率综合器第二输入端与所述的受控晶振的第一输出端相连；
所述的受控晶振的输入端与所述的原子钟控制系统的第三输出端相连，所述的受控晶振的第二输出端输出原子钟频率信号；
所述的光学系统的构成包括半导体激光器、隔离器、半波片、偏振分束器、声光调制器(acousto-optic modulator,简称为AOM)、透镜、四分之一波片、反射镜及扩束镜，声光调制器作为光开关，它的负一级衍射光脉冲用于光抽运和光探测，所述的物理系统的构成包括第一格兰泰勒棱镜、微波腔吸收泡组件和第二格兰泰勒棱镜，第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜正交，所述的原子钟控制系统包括光电探测器和原子钟控制电路；
在本发明内容的第二方面中，提供了一种基于磁光旋转效应提高原子钟频率稳定度的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、在微波频率综合器不加微波频率调制的情况下，设定微波频率综合器的微波功率，然后光电探测器依次探测微波频率综合器不同微波频率处的前向散射光强获得拉姆齐条纹，确定钟跃迁共振频率；
步骤2、将微波频率综合器的微波频率固定在钟跃迁共振频率处，通过改变微波频率综合器的微波功率，光电探测器探测共振频率处的前向散射光强，确定π/2脉冲对应的微波功率；
步骤3、利用π/2脉冲对应的微波功率设定微波频率综合器的微波功率，通过改变微波频率综合器的微波频率，光电探测器探测前向散射光强获得π/2脉冲的拉姆齐条纹，确定π/2脉冲拉姆齐条纹的半高线宽；
步骤4、利用π/2脉冲的线宽确定微波频率调制的幅度，通过微波频率综合器设定该微波频率调制的幅度，实现闭环频率锁定。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
可以消除光频移，获得对比度为90～96％的拉姆齐条纹；
采用两个时间间隔为T的π/2微波脉冲可以获得线宽为1/(4T)的拉姆齐条纹，比通常的1/(2T)线宽减小一半，原子钟频率稳定度提高20～30％。
附图说明
图1是脉冲光抽运原子钟原理框图
图2是脉冲光抽运原子钟时序图
图3是脉冲光抽运原子钟结构图
图4是87Rb原子的能级图
图5是共振频率处前向散射光强与微波功率的关系
图6是采用π/8微波脉冲获得的拉姆齐条纹
图7是采用π/2微波脉冲获得的拉姆齐条纹
图8是采用π/2和π/8微波脉冲的铷原子钟闭环频率稳定度对比
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先参阅图1，图1是脉冲光抽运原子钟原理框图。光学系统1产生光脉冲进入物理系统2与铷原子相互作用，微波频率综合器3产生微波脉冲进入物理系统与原子相互作用，微波脉冲和光脉冲在时间上分开与原子相互作用，从而消除光频移，原子钟控制系统5探测透过物理系统2的前向散射光。原子钟控制系统5产生光功率控制时序控制光学系统输出的光脉冲，产生的微波功率和频率控制时序控制微波频率综合器3输出的微波脉冲，原子钟控制系统5产生控制电压调整受控晶振4输出信号的频率。受控晶振4有两路输出，一路作为微波频率综合器3的参考信号，另一路作为原子钟频率信号输出。
参阅图2，原子钟控制系统5产生脉冲原子钟控制时序，包括光功率控制信号、微波功率控制信号及微波频率调制信号。在微波频率调制信号06阶段，光脉冲01制备量子态，接着两个时间间隔为T的相干微波脉冲02、04探询原子，03是自由演化阶段，最后利用探测光05检测基态两能级原子跃迁几率。在微波频率调制信号07阶段，光脉冲08制备量子态，接着两个时间间隔为T的相干微波脉冲09、011探询原子，010是自由演化阶段，最后利用探测光012检测基态两能级原子跃迁几率。在微波频率调制信号06和07的作用下，原子钟依次工作在拉姆齐共振峰的两侧半高处从而获得误差信号，然后根据数字PID算法，输出控制电压来校正受控晶振4的频率实现POP原子钟的闭环频率锁定。脉冲光油运原子钟采用将脉冲光抽运、微波脉冲探询和检测原子跃迁几率这三个阶段在时间上完全分开的方案，因此从原理上可以消除光频移。
再参考图3，图3是脉冲光抽运原子钟结构图。半导体激光器11产生795nm的激光，先经过隔离器12，防止光再进入激光器，经过二分之一波片13及偏振分束器14，可调节进入声光调制器15(acousto-optic modulator,简称为AOM)的光强度。再两次通过AOM 15、透镜16、四分之一波片17、反射镜18，进入扩束器19，光束直径变大，让更多的原子能够与光相互作用。接着，通过第一格兰泰勒棱镜21变成线偏振光22与微波腔吸收泡组件23内的原子相互作用后，偏振发生旋转变成第二线偏振光24射入第二格兰泰勒棱镜25。所述的第一格兰泰勒棱镜21和第二格兰泰勒棱镜25正交。光束最终到达光电探测器51，将光信号转化为电信号，通过原子钟控制电路52输出一个控制电压调整受控晶振4的输出频率，受控晶振4的一路输出频率信号作为微波频率综合器3的参考信号，微波频率综合器3输出微波脉冲，进入微波腔吸收泡组件23与原子相互作用。
最后参阅图4，图4是87Rb原子的能级图。能级41(5S1/2,F＝2,mF＝0)和能级42(5S1/2,F＝1,mF＝0)之间的6.834GHz的微波跃迁45作为钟跃迁，能级41和能级43(5P1/2,F＝2)之间的795nm光跃迁44作为抽运和探测跃迁。
高稳定度脉冲原子钟的调整步骤如下：
步骤1，在微波频率综合器3不加微波频率调制的情况下，设定微波频率综合器3的微波功率，通过光电探测器51依次探测微波频率综合器3不同微波频率处的前向散射光强获得拉姆齐条纹，确定钟跃迁共振频率。
步骤2，将微波频率综合器3的微波频率固定在钟跃迁共振频率处，通过改变微波频率综合器3的微波功率，光电探测器51探测共振频率处的前向散射光强，确定π/8，和π/2脉冲对应的微波功率。结果如图5所示。当微波功率小于-18dBm(π/4脉冲)，前向散射光强随微波功率增大而逐渐增大。此后微波功率进一步增大前向散射光开始减小，当微波功率为-12dBm(π/2脉冲)，前向散射光强为零，此时拉姆齐条纹分裂为两个线宽压缩一半的拉姆齐条纹。
步骤3，利用π/8脉冲对应的微波功率设定微波频率综合器3的微波功率，通过改变微波频率综合器3的微波频率，光电探测器51探测前向散射光强分别获得π/8脉冲的拉姆齐条纹，确定π/8脉冲拉姆齐条纹的半高线宽。当微波功率为-24dBm(π/8脉冲)，得到拉姆齐条纹如图6所示，此时的拉姆齐线宽为128Hz符合1/(2T)的规律；
步骤4，利用π/2脉冲对应的微波功率设定微波频率综合器3的微波功率，通过改变微波频率综合器3的微波频率，光电探测器51探测前向散射光强分别获得π/2脉冲的拉姆齐条纹，确定π/2脉冲拉姆齐条纹的半高线宽。而当微波功率为-12dBm(π/2脉冲)，得到拉姆齐条纹如图7所示，此时拉姆齐线宽为64Hz符合1/(4T)，线宽压缩了一半。
步骤5，分别利用π/8脉冲和π/2脉冲的拉姆齐条纹的半高线宽确定微波频率调制的幅度实现闭环频率锁定，并测量频率稳定度，结果如图8所示。可以看出采用π/2脉冲原子钟频率稳定度比采用π/8脉冲提高了20-30％。
本发明针对通常脉冲原子钟拉姆齐条纹线宽只能达到1/(2T)的局限，将脉冲光抽运原子钟技术和正交偏振光探测技术相结合，首先利用光脉冲进行量子态制备，接着利用两个时间间隔为T的π/2微波脉冲探询原子态，最后基于正交偏振光探测技术获得线宽为1/(4T)的拉姆齐条纹，这一线宽比通常的1/(2T)线宽减小一半，并且可以将原子钟频率稳定度提高20-30％。

Claims (2)

1.一种提高原子钟频率稳定度的系统，该系统包括光学系统(1)、物理系统(2)、微波频率综合器(3)、受控晶振(4)和原子钟控制系统(5)，所述的光学系统(1)的输入端与所述的原子钟控制系统(5)的第一输出端相连，所述的光学系统(1)的输出端与所述的物理系统(2)的第一输入端相连；所述的物理系统(2)的第二输入端与所述的微波频率综合器(3)的输出端相连，所述的物理系统(2)的输出端与所述的原子钟控制系统(5)输入端相连；所述的微波频率综合器(3)的第一输入端与所述的原子钟控制系统(5)的第二输出端相连，所述的微波频率综合器(3)第二输入端与所述的受控晶振(4)的第一输出端相连；所述的受控晶振(4)的输入端与所述的原子钟控制系统(5)的第三输出端相连，所述的受控晶振(4)的第二输出端输出原子钟频率信号，其特征在于，所述的光学系统(1)的构成包括半导体激光器(11)、隔离器(12)、半波片(13)、偏振分束器(14)、声光调制器(15)、透镜(16)、四分之一波片(17)、反射镜(18)及扩束镜(19)，所述的物理系统(2)的构成包括第一格兰泰勒棱镜(21)、微波腔吸收泡组件(23)和第二格兰泰勒棱镜(25)，第一格兰泰勒棱镜(21)和第二格兰泰勒棱镜(25)正交，所述的原子钟控制系统(5)包括光电探测器(51)和原子钟控制电路(52)；
所述半导体激光器(11)产生激光，依次经过隔离器(12)和二分之一波片(13)射入偏振分束器(14)，经该偏振分束器(14)反射的光束依次经声光调制器(15)、透镜(16)和四分之一波片(17)后入射到反射镜(18)，经该反射镜(18)反射后依次经四分之一波片(17)、透镜(16)和声光调制器(15)原路返回，并射入偏振分束器(14)，经偏振分束器(14)透射的光束进入扩束器(19)，光束直径变大，接着通过第一格兰泰勒棱镜(21)变成第一线偏振光(22)与微波腔吸收泡组件(23)内的原子相互作用后，偏振发生旋转变成第二线偏振光(24)，并经第二格兰泰勒棱镜(25)后射入光电探测器(51)，该光电探测器(51)将光信号转化为电信号，该电信号通过原子钟控制电路(52)输出一个控制电压调整受控晶振(4)的频率信号，该受控晶振(4)的第一输出端输出该频率信号并输入到微波频率综合器(3)作为微波频率综合器(3)的参考信号，经微波频率综合器(3)输出的微波脉冲进入微波腔吸收泡组件(23)。
2.一种利用权利要求1所述的提高原子钟频率稳定度的系统提高原子钟频率稳定度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1、在微波频率综合器(3)不加微波频率调制的情况下，设定微波频率综合器(3)的微波功率，通过光电探测器(51)依次探测微波频率综合器(3)不同微波频率处的前向散射光强获得拉姆齐条纹，确定钟跃迁共振频率；
步骤2、将微波频率综合器(3)的微波频率固定在钟跃迁共振频率处，通过改变微波频率综合器(3)的微波功率，光电探测器(51)探测共振频率处的前向散射光强，确定π/2脉冲对应的微波功率；
步骤3、利用π/2脉冲对应的微波功率设定微波频率综合器(3)的微波功率，通过改变微波频率综合器(3)的微波频率，光电探测器(51)探测前向散射光强获得π/2脉冲的拉姆齐条纹，确定π/2脉冲拉姆齐条纹的半高线宽；
步骤4、利用π/2脉冲拉姆齐条纹的半高线宽确定微波频率调制的幅度，实现闭环频率锁定。
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