CN106788426A - 一种cpt原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法，对叠加在VCSEL驱动电流上的微波信号功率实施调制，同时对光检信号进行同步鉴相获得多普勒吸收谱线的极值随调频激光调制指数变化的信号，并转换成负反馈纠偏信号，利用获得的纠偏信号负反馈控制微波功率而稳定调频激光的调制指数。该装置结构简单，在现有的CPT原子频标装置中增加少量元件即可实现激光频率调制指数锁定功能，锁定后装置获得的CPT谱线信号最强，且减小了温度随机变化、微波器件老化等因素引起的CPT原子频标性能变化，可以提高CPT原子频标性能，适合应用于小型CPT原子频标。
Description
技术领域
本发明属于原子频标技术领域，具体涉及被动型相干布居囚禁(CPT，CoherentPopulation Trapping)原子频标调制指数锁定装置及方法，通过该装置和方法可以提高CPT原子频标性能。
背景技术
CPT原子频标是一种体积小、功耗低、启动快的提供高稳定度、高准确度频率信号的设备，可满足导航、通信、精确定位、精密计时和精密测量等众多应用需求。
相干双色激光与碱金属原子相互作用，将原子基态两个超精细能级耦合到共同的激发态能级，当相干双色光的光频差严格等于原子基态两个超精细能级裂距时，部分原子不再吸收光子而被制备到CPT态。探测激光与原子作用后的光强获得原子对激光的吸收信号，用吸收信号中由CPT共振产生的电磁感应透明谱线作为微波鉴频信号，并转换为频率纠偏信号对压控晶振实施负反馈纠偏，从而获得高稳定度的原子钟输出频率信号，这就是CPT原子钟的基本原理。
利用微波信号调制的电流驱动垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical CavitySurface Emitting Laser)获得相干多色光输出，利用相干多色光的±1阶边带组成的相干双色光与原子相互作用制备CPT态，当相干多色光中±1阶边带的功率占总光功率的比例最大时，且原子对多色光的吸收谱处于最大多普勒吸收谱线的极值处时，CPT原子频标工作于最大多普勒吸收谱线的极值处，这时实现的CPT谱线信号最强。相干多色光第n阶边带的光强其中I为VCSEL输出激光的总光强，mf为激光频率调制指数，Jn(mf)为第一类Bessel函数。计算结果说明：当mf≈1.8时，±1阶边带的功率占总光功率的比例达到最大值，约为68％，此时获得的CPT谱线信号最强。CPT谱线信号强有利于实现高性能CPT原子频标。
mf的值反映微波对电流的调制深度，当注入给VCSEL的电流值恒定时mf由微波功率决定。环境温度的起伏及VCSEL老化等因素会导致激光电流的变化，而导致调制深度的变化；温度起伏及微波器件老化等因素会导致微波功率的变化，也会引起调制深度的变化，导致VCSEL输出的相干多色光在各频率成分光功率分布的变化，因此造成CPT原子频标性能变化。
通过主动控制微波功率可以控制调制深度，进而控制CPT原子频标性能。电调衰减器是一种对微波信号进行功率衰减的器件，利用微波电调衰减器对调制电流的微波功率进行低频浅调制，同时对物理系统获得的光检信号进行同步鉴相，可以获得最大多普勒吸收谱线极值处吸收信号幅度随调制深度的变化曲线，利用该曲线负反馈控制微波功率大小，将激光频率调制指数锁定在约1.8，此时相干多色光中±1阶边带的功率占总光功率的比例稳定在最大值，CPT原子频标可以获得较佳的性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法。
本发明提供了一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置，包括物理系统、电流电压转换电路、模数转换器、处理器、频率综合器、微波电调衰减器和偏置器，物理系统的输入端连接至偏置器的输出端，物理系统用于提供光检信号；电流电压转换电路的输入端连接至物理系统的输出端；模数转换器的输入端连接至电流电压转换电路的输出端；所述处理器的输入端连接至模数转换器的输出端；所述频率综合器的输入端连接至处理器的第一输出端；所述微波电调衰减器的第一输入端连接至频率综合器的输出端，所述微波电调衰减器的第二输入端连接至处理器的第二输出端；所述偏置器第一输入端用于接收VCSEL控制电流，所述偏置器第二输入端连接至微波电调衰减器的输出端。
更进一步地，频率综合器包括：依次连接的压控晶振、锁相环、环路滤波器和压控振荡器，所述压控振荡器的反馈端连接至所述锁相环的控制端，所述压控晶振用于输出标准频率信号，所述锁相环用于对压控晶振输出信号和压控振荡器输出信号进行鉴相，并根据鉴相结果输出压控振荡器的电压控制信号，所述环路滤波器用于对压控振荡器电压控制信号进行滤波，所述压控振荡器用于提供微波信号。
本发明还提供了一种基于上述的CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置的调制激光频率调制指数的方法，包括下述步骤：
(1)通过处理器第一输出端输出的叠加了调制信号的控制信号来改变微波电调衰减器输出的微波信号的功率大小，实现改变激光频率调制指数的大小；同时处理器对模数转换器输入的光检信号进行同步鉴相，获得多普勒吸收谱线的极值随激光频率调制指数变化曲线的微分曲线；
(2)根据同步鉴相结果负反馈微波电调衰减器的控制信号，将微分曲线的值锁定在过零点上。
更进一步地，改变微波电调衰减器输出的微波信号的功率大小具体为：由设定的最小值增加至设定的最大值。
更进一步地，对微波电调衰减器控制信号施加的调制信号频率与CPT原子频标中激光电流调制频率和微波FSK(Frequency Shift Keying，移频键控调制)频率，均成偶数倍关系。
更进一步地，激光频率调制指数锁定值约为1.8。
本发明提供的方法通过改变输入激光器的微波功率来改变激光频率调制指数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)增加稳定激光频率调制指数手段，提高CPT原子频标性能：
在CPT原子频标现有的激光频率控制环路和压控晶振频率控制环路的基础上，增加了微波功率控制环路，该控制环路将微波功率锁定在激光频率调制指数约为1.8时对应的微波功率值上，此时调频多色光±1阶边带功率占总光功率比例最大，减小了因温度随机起伏、VCSEL老化和微波器件老化等因素引起激光频率调制指数变化而导致的CPT原子频标短期频率稳定度恶化，从而提高CPT原子频标长期频率稳定度性能。
(2)激光频率调制指数锁定方法简单，对激光频率调制指数控制效果更好：
使用的激光频率调制指数锁定方法将mf锁定在约1.8，与将mf锁定在其它值的方法相比，本发明使用的方法不需要反复扫描输入给VCSEL的电流，因此可以形成环路实现对微波功率的实时控制，可以取得更好的控制效果。
附图说明
图1为一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置。
图2为频率综合器结构示意图。
图3为不同激光频率调制指数下的多普勒吸收谱线，其中(a)为激光频率调制指数为1.2时多普勒吸收谱线；(b)为激光频率调制指数为1.8时多普勒吸收谱线；(c)为激光频率调制指数为2.6时多普勒吸收谱线。
图4为微波电调衰减电路示意图。
图5为激光频率调制指数锁定过程示意图，其中(a)为物理系统光电探测器输出电流在激光频率调制指数锁定过程中变化情况；(b)为激光电流锁定过程；(c)为微波电调衰减器控制信号锁定过程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法，在原CPT原子频标装置基础上，只需增加一个微波电调衰减器即可实现对激光频率调制指数锁定的功能，将激光频率调制指数锁定在调频多色光±1阶边带功率占总功率比例最大时对应的激光频率调制指数上，减小了温度随机起伏、VCSEL老化和微波器件老化等因素引起的激光频率调制指数变化，有利于提高CPT原子频标性能。
为了更进一步说明CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法，现结合具体实例详述如下：
图1为一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置，包括物理系统1、电流电压转换电路2、模数转换器3、处理器4、频率综合器5、微波电调衰减器6和偏置器7。上述装置连接关系是：物理系统1的输入端连接至偏置器7的输出端；电流电压转换电路2的输入端连接至物理系统1的输出端；模数转换器3的输入端连接至电流电压转换电路2的输出端；处理器4的输入端连接至模数转换器3的输出端；频率综合器5的输入端连接至处理器4的第一输出端；微波电调衰减器6的第一输入端连接至频率综合器5的输出端，微波电调衰减器6的第二输入端连接至处理器4的第二输出端；偏置器7第一输入端用于接收VCSEL控制电流，偏置器7第二输入端连接至微波电调衰减器6的输出端。
上述连接中，装置各部分的作用是：物理系统1由VCSEL、衰减片、1/4玻片、原子气室和光电探测器构成，VCSEL发出的线偏振光经衰减片衰减后，经过1/4玻片转变成圆偏振光然后入射原子气室与原子发生相互作用，透射光入射光电探测器，光电探测器将光信号转变为电流形式的光检信号；电流电压转换电路2用于将物理系统输出的光检信号由电流信号转换成电压信号，并进行隔直放大，该装置可以使用运算放大器AD8039实现；模数转换器3用于将电压信号从模拟信号转换成数字信号，该装置可以使用高精度、低功耗的数模转换器PCM4201实现；处理器4输出给频率综合器5中压控晶振压控端控制信号，使压控晶振输出标准频率，同时处理器4对微波电调衰减器6的控制信号进行调制，使微波电调衰减器6输出微波功率被调制的微波信号，与此同时处理器4控制模数转换器3采集经电流电压转换电路2转换的光检信号并进行同步鉴相，根据鉴相结果，处理器4反馈控制微波电调衰减器6的控制信号调整微波电调衰减器6输出微波信号的微波功率。该装置可以使用MSP430F2618T实现；频率综合器5作用提供调制激光频率所需要的微波信号，可以由压控晶振、锁相环LMX2487E、环路滤波器和压控振荡器V844ME07-LF实现；微波电调衰减器6作用是提供功率经过调制的微波信号，由GALI-5+实现；偏置器7用于在VCSEL控制电流上叠加微波信号，并输出至物理系统1。
图2为频率综合器结构示意图，处理器控制压控晶振压控端电压，锁相环将压控晶振的输出频率倍频后与压控振荡器的输出信号进行鉴相，并根据鉴相结果输出直流电压，经环路滤波器滤波后输入压控振荡器，使压控振荡器输出微波信号。
图3为不同激光频率调制指数下扫描激光频率获得的多普勒吸收谱线，其中(a)为激光频率调制指数为1.2时多普勒吸收谱线，(b)为激光频率调制指数为1.8时多普勒吸收谱线，(c)为激光频率调制指数为2.6时多普勒吸收谱线。
图4为微波电调衰减器GALI-5+的典型电路示意图，包括：微波电调衰减器U1、电容C1、电容C2、电容C3、电感L1和电阻R1，电容C1与微波电调衰减器U1的第一输入端连接，电容C2与微波电调衰减器U1的输出端3连接，电容C3与调制信号输入端VCC连接，电阻R1与调制信号输入端VCC连接，电感L1与微波电调衰减器U1的输出端3和电阻R1连接。微波信号从微波电调衰减器1端输入，在VCC端施加调制信号，OUT端就会获得功率经过调制的微波信号。
图5为激光频率调制指数锁定过程，其中5(a)为物理系统光电探测器输出电流在激光频率调制指数锁定过程中变化情况；5(b)为激光电流锁定过程；5(c)为微波电调衰减器控制信号锁定过程。描述如下：
(a)开机后，在预设的微波功率条件下，其预设的微波功率对应的激光频率调制指数应小于1.8，将输入给VCSEL的电流ivcsel由设定的最小值增加至设定的最大值，电流ivcsel的扫描范围确保能获得完整的多普勒吸收谱线，扫描完毕后，将输入给VCSEL的电流锁定在多普勒吸收谱线的极值对应的电流值i1上。
(b)激光电流锁定后，对微波电调衰减器的输入电流施加调制，并将微波电调衰减器的控制信号u由设定的最小值增加至设定的最大值，确保对应的激光调制指数由小于1.8变化至大于1.8，处理器同时对光检信号进行同步鉴相，即利用处理器产生一个与调制信号相同频率和相同相位的方波信号，在方波信号前半周期将光检信号进行累加，后半周期将光检信号取反后累加，整个周期的累加结果即为鉴相结果，微波电调衰减器的控制信号u扫描完毕即获得了多普勒吸收谱线的极值随激光频率调制指数变化曲线的微分曲线。
(c)根据同步鉴相结果反馈微波电调衰减器控制信号，并使得多普勒吸收谱线的极值锁定在最小值处。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置，其特征在于，包括物理系统(1)、电流电压转换电路(2)、模数转换器(3)、处理器(4)、频率综合器(5)、微波电调衰减器(6)、偏置器(7)；
所述物理系统(1)的输入端连接至所述偏置器(7)的输出端，所述物理系统(1)用于提供光检信号；
所述电流电压转换电路(2)的输入端连接至所述物理系统(1)的输出端；
所述模数转换器(3)的输入端连接至所述电流电压转换电路(2)的输出端；
所述处理器(4)的输入端连接至所述模数转换器(3)的输出端；
所述频率综合器(5)的输入端连接至所述处理器(4)的第一输出端；
所述微波电调衰减器(6)的第一输入端连接至所述频率综合器(5)的输出端，所述微波电调衰减器(6)的第二输入端连接至所述处理器(4)的第二输出端；
所述偏置器(7)第一输入端用于接收VCSEL控制电流，所述偏置器(7)第二输入端连接至所述微波电调衰减器(6)的输出端。
2.如权利要求1所述的CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置，其特征在于，所述频率综合器(5)包括：依次连接的压控晶振、锁相环、环路滤波器和压控振荡器，所述压控振荡器的反馈端连接至所述锁相环的控制端，所述压控晶振用于输出标准频率信号，所述锁相环用于对压控晶振输出信号和压控振荡器输出信号进行鉴相，并根据鉴相结果输出压控振荡器的电压控制信号，所述环路滤波器用于对压控振荡器电压控制信号进行滤波，所述压控振荡器用于提供微波信号。
3.一种基于权利要求1所述的CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置的调制激光频率调制指数的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通过处理器第一输出端输出的叠加了调制信号的控制信号来改变微波电调衰减器输出的微波信号的功率大小，实现改变激光频率调制指数的大小；同时处理器对模数转换器输入的光检信号进行同步鉴相，获得多普勒吸收谱线的极值随激光频率调制指数变化曲线的微分曲线；
(2)根据同步鉴相结果负反馈微波电调衰减器的控制信号，将微分曲线的值锁定在过零点上。
4.如权利要求3所述的激光频率调制指数控制方法，其特征在于，改变微波电调衰减器输出的微波信号的功率大小具体为：由设定的最小值增加至设定的最大值。
5.如权利要求3或4所述的激光频率调制指数控制方法，其特征在于，对微波电调衰减器(6)控制信号施加的调制信号频率与CPT原子频标中激光电流调制频率和微波FSK调制频率，均成偶数倍关系。
6.如权利要求3-5任一项所述的激光频率调制指数控制方法，其特征在于，激光频率调制指数锁定值约为1.8。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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