CN107994901A - 频率稳定度按照τ-1变化的原子钟 - Google Patents
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Abstract
一种频率稳定度按照τ‑1变化的原子钟，包括半导体激光器、第一脉冲光抽运原子钟、第二脉冲光抽运原子钟、控制系统、本地振荡器和分束器，采用两个脉冲光抽运原子钟交替运转技术，实现连续探测本地振荡器与原子的相位差，从而消除迪克效应，实现原子钟频率稳定度按照τ‑1变化，提高原子钟的频率稳定度，显著降低对微波相位噪声的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率稳定度按照τ-1变化的原子钟，使两个脉冲光抽运原子钟交替运转，实现连续探测本地振荡器与原子的相位差，消除迪克效应，实现频率稳定度按照τ-1变化，提高原子钟的频率稳定度。
背景技术
自从原子钟诞生以来，每十年性能提升约一个数量级。气泡式脉冲光抽运原子钟因其体积小，重量轻、功耗低、频率稳定度高，是新一代卫星导航系统高效能星载钟候选者之一。但是脉冲光抽运原子钟，在进行脉冲光抽运和探测时，无法探测本地振荡器与原子相位差，这样使得微波信号的相位噪声通过迪克效应叠加到原子跃迁信号进而限制原子钟的频率稳定度。为了减小迪克效应，微波原子钟一般需要采用具有极低相位噪声的本地振荡器(参考文献：Chambon D,Bize S,Lours M,et al.Design and realization of aflywheel oscillator for advanced time and frequency metrology[J].Rev.Sci.Instrum.,2005,76:094704)。但其价格昂贵，维护成本高，且其频率稳定度按照τ-1/2变化。
本发明提出一种频率稳定度按照τ-1变化的原子钟系统，采用两个脉冲光抽运原子钟交替运转的技术，实现连续探测本地振荡器与原子的相位差，从而消除迪克效应，实现原子钟频率稳定度按照τ-1变化，提高原子钟的频率稳定。
发明内容
本发明涉及一种频率稳定度按照τ-1变化的原子钟。本发明针对传统脉冲光抽运原子钟的阿兰偏差按照τ-1/2变化，采用两个脉冲光抽运原子钟交替运转的方法，实现连续探测本地振荡器与原子的相位差，从而消除迪克效应，实现原子钟频率稳定度按照τ-1变化，提高原子钟的频率稳定。
一种频率稳定度按照τ-1变化的原子钟，其特点在于，包括半导体激光器、第一脉冲光抽运原子钟、第二脉冲光抽运原子钟、控制系统、本地振荡器和分束器，
所述的半导体激光器产生的激光经所述的分束器分为两路光束，第一路光束经第一脉冲光抽运原子钟进入控制系统，第二路光束经第二脉冲光抽运原子钟进入控制系统，该控制系统的第一输出端与第一脉冲光抽运原子钟的控制端相连，该控制系统的第二输出端与第二脉冲光抽运原子钟的控制端相连，该控制系统的第三输出端与本地振荡器的输入端相连，该本地振荡器的第一输出端与第一脉冲光抽运原子钟的微波输入端相连，该本地振荡器的第二输出端与第二脉冲光抽运原子钟的微波输入端相连，该本地振荡器的第三输出频率外用，所述的第一脉冲光抽运原子钟和第二脉冲光抽运原子钟交替运行闭环锁定。
所述的第一脉冲光抽运原子钟包括第一声光调制器、第一起偏器、第一物理系统、第一检偏器及第一探测器；
所述的第二脉冲光抽运原子钟包括第二声光调制器、第二起偏器、第二物理系统、第二检偏器及第二探测器；
所述的本地振荡器包括受控晶体振荡器和微波频率综合器；
所述的分束器的第一输出端与第一声光调制器的光输入端相连，所述的第一声光调制器的输出端与第一起偏器的输入端相连，所述的第一起偏器的输出端与第一物理系统的光输入端相连，所述的第一物理系统的输出端与第一检偏器的输入端相连，所述的第一检偏器的输出端与第一探测器的输入端相连，所述的第一探测器的输出端与控制系统的第一输入端相连，所述的控制系统的第一输出端与第一声光调制器的控制端相连；
所述的分束器的第二输出端与第二声光调制器的光输入端，所述的第二声光调制器的输出端与第二起偏器32的输入端相连，所述的第二起偏器的输出端与第二物理系统的光输入端相连，所述的第二物理系统的输出端与第二检偏器的输入端相连，所述的第二检偏器的输出端与第二探测器的输入端相连，所述的第二探测器的输出端与控制系统的第二输入端相连，控制系统的第二输出端与第二声光调制器的控制端相连；
所述控制系统的第三输出端与受控晶体振荡器的输入端相连，所述受控晶体振荡器的第一输出端与微波频率综合器的输入端相连，所述受控晶体振荡器的第二输出端输出频率外用，所述的微波频率综合器的第一输出端与第一物理系统的微波输入端相连，所述的微波频率综合器的第二输出端与第二物理系统的微波输入端相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用两个脉冲光抽运原子钟交替运转技术，实现连续探测本地振荡器与原子的相位差，从而消除迪克效应，实现原子钟频率稳定度按照τ-1变化，提高原子钟的频率稳定度
2)显著降低对微波相位噪声的要求。
附图说明
图1是频率稳定度按照τ-1变化的(τ-1)原子钟结构框图
图2是τ-1原子钟实验框图
图3是τ-1原子钟工作时序图
图4是POP1和POP2原子钟的中心拉姆齐条纹图
图5是POP1,POP2及τ-1原子钟的相对频率图
图6是锁定后的频率稳定度图
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用以解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1，为频率稳定度按照τ-1变化的(τ-1)原子钟结构框图。半导体激光器1产生795nm的激光，经分束器6分为两路光束，第一路光束经第一脉冲光抽运原子钟2(POP1)之后进入控制系统4，第二路光束经第二脉冲光抽运原子钟3(POP2)之后进入控制系统4。该控制系统4第一输出到第一脉冲光抽运原子钟2，第二输出到第二脉冲光抽运原子钟3，第三输出到本地振荡器5。本地振荡器5第一输出到第一脉冲光抽运原子钟2，第二输出到第二脉冲光抽运原子钟3，第三输出频率外用。POP1和POP2原子钟交替运行实现闭环锁定。
请参阅图2，为τ-1原子钟实验框图。所述的第一脉冲光抽运原子钟2包括第一声光调制器21、第一起偏器22、第一物理系统23、第一检偏器24及第一探测器25。分束器6第一输出端输出的激光经过第一声光调制器21进入第一物理系统23与原子相互作用，实现脉冲光光抽运及光探测。第一声光调制器21的作用是光开关，它在控制系统4作用下产生抽运光脉冲和探测光脉冲。第一起偏器22和第一检偏器24的偏振方向互相垂直，实现正交偏振探测。它们之间的连线描述如下：激光器1第一输出端到第一声光调制器21的第一输入端，所述的第一声光调制器21的输出端与第一起偏器22的输入端相连；所述的第一起偏器22的输出端与第一物理系统23的第一输入端相连；所述的第一物理系统23的输出端与第一检偏器24的输入端相连；所述的第一检偏器24的输出端与第一探测器25的输入端相连；所述的第一探测器25的输出端与控制系统4的第一输入端相连。
所述的第二脉冲光抽运原子钟3包括第二声光调制器31、第二起偏器32、第二物理系统33、第二检偏器34及第二探测器35。分束器6第二输出端输出的激光经过第二声光调制器31进入第二物理系统33与原子相互作用，实现脉冲光光抽运及光探测。第二声光调制器31的作用是光开关，它在控制系统4作用下产生抽运光脉冲和探测光脉冲。第二起偏器32和第二检偏器34的偏振方向互相垂直，实现正交偏振探测。它们之间的连线描述如下：激光器1第二输出端到第二声光调制器31的第一输入端，所述的第二声光调制器31的输出端与第二起偏器32的输入端相连；所述的第二起偏器32的输出端与第二物理系统33的第一输入端相连；所述的第二物理系统33的输出端与第二检偏器34的输入端相连；所述的第二检偏器34的输出端与第二探测器35的输入端相连；所述的第二探测器35的输出端与控制系统4的第二输入端相连。
所述控制系统4的第一输出端与第一声光调制器21的第二输入端相连，所述控制系统4的第二输出端与第二声光调制器31的第二输入端相连，所述控制系统4的第三输出端与受控晶体振荡器51的输入端相连；所述受控晶体振荡器51的第一输出端与微波频率综合器52的输入端相连，所述受控晶体振荡器51的第二输出端输出5MHz的信号；所述的微波频率综合器52的第一输出端与第一物理系统23的第二输入端相连，所述的微波频率综合器52的第二输出端与第二物理系统33的第二输入端相连。从而实现控制系统4输出一个反馈电压给受控晶体振荡器51，受控晶体振荡器51输出5MHz频率给信号发生器52作为其参考信号，微波频率综合器52输出6.834GHz微波信号给第一物理系统23和第二物理系统33与原子相互作用。
请参阅图3，为τ-1原子钟工作时序图。单个脉冲光抽运原子钟的工作过程包括光抽运制备原子态，拉姆齐微波探询和光检测三部分。而对于τ-1原子钟，POP1和POP2是交替运行，使得当POP1原子钟在进行光探测和光抽运时，POP2原子钟在进行拉姆齐微波探询，反之当POP1原子钟在进行拉姆齐微波探询时，POP2原子钟在进行光探测和光抽运，从而保证连续探测微波和原子的相位差。具体说明如下：第一光脉冲01作用于POP1原子钟，第二光脉冲02作用于POP2原子钟，POP1和POP2原子钟共用微波信号03。在一个周期内，当POP2原子钟进行第二光探测021和第二光抽运022时，微波信号03作用于POP1原子钟，此时POP1原子钟先与第一微波脉冲031作用，再自由演化032，最后再与第二微波脉冲033作用。当第一光脉冲01进行第一光探测011和第一光抽运012时，微波信号3作用与POP2原子钟，此时POP2原子钟与第三微波脉冲033作用，再自由演化034，最后再与第四微波脉冲034作用。微波信号3经过相位调制，第一微波脉冲031、第二微波脉冲033、第三微波脉冲035和第四微波脉冲036对应的相位分别为0°、90°、180°、90°，每四个这样的微波脉冲构成一个循环，即当POP1对应的相位为([0°，90°]，[180°，90°])，则POP2对应的相位为([90°，180°]，[90°，0°])。相位差(+90°，-90°)确保每个光脉冲原子钟获得合适的相位差。从而实现连续探测本地振荡器与原子的相位差。
请参阅图4，为POP1和POP2原子钟的中心拉姆齐条纹图，此时两个脉冲光抽运原子钟条纹对比度分别为91％和89％，POP1的中心频率为6.834687626GHz，POP2的中心频率为6.834687628GHz。两个脉冲光抽运原子钟的跃迁谱线存在略微差别，我们认为是由于两个物理系统中吸收泡和微波腔制造工艺的略微差异造成。
请参阅图5，为POP1,POP2及τ-1原子钟的相对频率图。对于每个子图，每1s记录一次，总共记录2400s。τ-1原子钟锁定的相对频率约等于POP1和POP2原子钟锁定的相对频率的平均值。POP1和POP2原子钟相对频率起伏均大约为1.5×10-11，但是τ-1原子钟相对频率起伏只有大约1.5×10-12，减小了大约一个数量级。相对频率的波动可以定性地反映钟的性能，初步可以判断τ-1原子钟的性能要高于单个原子钟POP1和POP2。
请参阅图6，为锁定后的频率稳定度图，POP1代表第一脉冲光抽运原子钟，τ-1代表无间隙运行脉冲光抽运原子钟，Open代表开环状态。阿兰偏差可以定量地反映频率稳定度，进一步说明τ-1原子钟性能的优势。由于POP2原子钟的阿兰偏差与POP1原子钟相似，因此这里只给出POP1原子钟。由图可以看出，τ-1原子钟的频率稳定度在取样时间大于0.04s后明显优于POP1原子钟和Open，尤其是在取样时间大于1秒后比POP1原子钟提高约1个数量级。通过对频率稳定度曲线的拟合，我们发现POP1原子钟的阿兰偏差在取样时间0.01～40s内近似按照τ-1/2变化，而τ-1原子钟的频率稳定度在取样时间0.01～1s内近似按照τ-1变化，在取样时间1～40s近似按照τ-1/2变化。由于τ-1原子钟随着取样时间按照τ-1变化，τ需要满足条件在τ＜Tc/2(σΔφ/σm)2，其中σm为探测噪声，σΔφ为本地振荡器相位噪声。对于我们的实验条件，初步计算出Tc/2(σΔφ/σm)2≈1s。因此τ-1原子钟的频率稳定度1s以后不再继续按照τ-1变化。
Claims (2)
1.一种频率稳定度按照τ-1变化的原子钟系统，其特征在于，包括半导体激光器(1)、第一脉冲光抽运原子钟(2)、第二脉冲光抽运原子钟(3)、控制系统(4)、本地振荡器(5)和分束器(6)，
所述的半导体激光器(1)产生的激光经所述的分束器(6)分为两路光束，第一路光束经第一脉冲光抽运原子钟(2)进入控制系统(4)，第二路光束经第二脉冲光抽运原子钟(3)进入控制系统(4)，该控制系统(4)的第一输出端与第一脉冲光抽运原子钟(2)的控制端相连，该控制系统(4)的第二输出端与第二脉冲光抽运原子钟(3)的控制端相连，该控制系统(4)的第三输出端与本地振荡器(5)的输入端相连，该本地振荡器(5)的第一输出端与第一脉冲光抽运原子钟(2)的微波输入端相连，该本地振荡器(5)的第二输出端与第二脉冲光抽运原子钟(3)的微波输入端相连，该本地振荡器(5)的第三输出频率外用，所述的第一脉冲光抽运原子钟(2)和第二脉冲光抽运原子钟(3)交替运行实现闭环锁定。
2.根据权利要求1所述的频率稳定度按照τ-1变化的原子钟系统，其特征在于，
所述的第一脉冲光抽运原子钟(2)包括第一声光调制器(21)、第一起偏器(22)、第一物理系统(23)、第一检偏器(24)及第一探测器(25)；
所述的第二脉冲光抽运原子钟(3)包括第二声光调制器(31)、第二起偏器(32)、第二物理系统(33)、第二检偏器(34)及第二探测器(35)；
所述的本地振荡器(5)包括受控晶体振荡器(51)和微波频率综合器(52)；
所述的分束器(6)的第一输出端与第一声光调制器(21)的光输入端相连，所述的第一声光调制器(21)的输出端与第一起偏器(22)的输入端相连，所述的第一起偏器(22)的输出端与第一物理系统(23)的光输入端相连，所述的第一物理系统(23)的输出端与第一检偏器(24)的输入端相连，所述的第一检偏器(24)的输出端与第一探测器(25)的输入端相连，所述的第一探测器(25)的输出端与控制系统(4)的第一输入端相连，所述的控制系统(4)的第一输出端与第一声光调制器21的控制端相连；
所述的分束器(6)的第二输出端与第二声光调制器(31)的光输入端，所述的第二声光调制器(31)的输出端与第二起偏器(32)的输入端相连，所述的第二起偏器(32)的输出端与第二物理系统(33)的光输入端相连，所述的第二物理系统(33)的输出端与第二检偏器(34)的输入端相连，所述的第二检偏器(34)的输出端与第二探测器(35)的输入端相连，所述的第二探测器(35)的输出端与控制系统(4)的第二输入端相连，控制系统(4)的第二输出端与第二声光调制器(31)的控制端相连；
所述控制系统(4)的第三输出端与受控晶体振荡器(51)的输入端相连，所述受控晶体振荡器(51)的第一输出端与微波频率综合器(52)的输入端相连，所述受控晶体振荡器(51)的第二输出端输出频率外用，所述的微波频率综合器(52)的第一输出端与第一物理系统(23)的微波输入端相连，所述的微波频率综合器(52)的第二输出端与第二物理系统(33)的微波输入端相连。
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