CN110649923A - 一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法。所述的双频探测相干布居囚禁原子钟包括微波源，原子钟锁频控制系统，激光器，相干布居囚禁原子气室，不同频率光场的分离系统，光电探测器，光电探测器。所述的相干布居囚禁原子气室含有具有Λ型能级结构的原子的蒸汽。所述的不同频率光场的分离系统一端与所述的相干布居囚禁原子气室连接，另一端与光电探测器和光电探测器连接。本发明利用这两个频率‑光强信号的峰值位置的中间点作为δ0＝ωmicro‑ωcb＝0的频率基准点对原子钟频率进行锁定，可以有效地减小单光子失谐、激光功率波动等因素造成的原子钟频基准点的移动，从而获得具有更高频率稳定度的原子钟。
Description
技术领域
本发明属于原子钟、原子频标领域，具体涉及一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法。
背景技术
原子钟是一种能够长时间输出频率稳定的微波的装置。在技术实现上，产生微波的技术是成熟的，但是使微波源输出的微波长时间保持在一个特定频率是困难的；另一方面，调整微波频率的技术是成熟的，但是精确地测量一束微波的频率是困难的，这也意味着我们不能通过实时测量微波频率然后对其施加反馈的方法将微波频率稳定在某个值。被动型原子钟的基本原理是：处于一个物理系统的某一个特征频率的微波输入到这个物理系统中时，输入的这些微波会对物理系统产生影响，使系统中某些物理量发生显著的改变，通过探测这些物理量的一个或多个变化特征，就可以精确地测量输入微波的微波频率与物理系统特征频率之间的差值，进而通过成熟的微波频率调整技术对输入微波的微波频率进行调整和反馈，使输出微波的频率长时间保持在特征频率附近。相干布居囚禁原子钟的基本原理是：使用一束频率ωmicro的微波对激光器进行相位调制产生一系列频率间隔为ωmicro的激光，将这一系列激光入射到原子蒸汽中，其中频率为ω1和ω2(ω1＝ω2+Nωmicro N为整数)的两束相干光与原子相互作用，产生相干布居囚禁效应，使得出射光光强发生改变。出射光光强作为微波的频率ωmicro的函数具有洛伦兹型的关系，当出射光光强达到最强时，相干光ω1、ω2的频率差等于原子的|b>能级到|c>能级跃迁频率：ω1-ω2＝Nωmicro＝ωcb。由此，便可以通过光强的测量确定微波的频率与原子跃迁频率的差值δ0＝Nωmicro-ωcb，进而对微波的频率进行反馈与锁定，得到频率能长时间稳定在ωcb的微波输出。
相干布居囚禁原子钟具有的一个技术困难是：微波频率与实际测量的物理量(在相干布居囚禁原子钟系统中是出射光光强)之间的函数关系会随着原子钟内部条件以及环境条件的改变而发生改变。对于相干布居囚禁原子钟，单光子失谐Δ＝ω1-ωab≈ω2-ωac、原子蒸汽的温度、输入激光功率、内部磁场强度等条件都会影响出射光光强与微波频率ωmirco的函数关系，线型、线宽、峰值位置都会发生改变。出射光光强的峰值位置是相干布居囚禁原子钟锁定微波的频率ωmicro的关键特征。因为原子钟内部条件以及环境条件存在波动，峰值位置所对应的频率也会在原子跃迁频率ωcb附近波动，进而造成频率锁定在峰值位置的微波产生频率波动，降低原子钟的精确度。目前大部分研究都是为了使这个峰更加稳定一些，但结果却不尽如人意。
发明内容
本发明提供了一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法，该方法可以降低单光子失谐Δ＝ω1-ωab≈ω2-ωac、原子蒸汽的温度、输入激光功率、内部磁场强度的变化对原子钟输出微波的频率稳定度的影响，从而获得更高精确度。
本发明采用以下技术方案实现：
一种双频探测相干布居囚禁原子钟，包括微波源，原子钟锁频控制系统，激光器，相干布居囚禁原子气室，不同频率光场的分离系统，光电探测器，光电探测器。所述的相干布居囚禁原子气室含有具有Λ型能级结构的原子的蒸汽。所述的不同频率光场的分离系统可以是任意一种能够将一束含有多种频率成分的光在空间上分离开的光学系统，所述的不同频率光场的分离系统一端与所述的相干布居囚禁原子气室连接，另一端与光电探测器和光电探测器连接。
所述的不同频率光场的分离系统可以分离的最小光频间隔应当小于在相干布居囚禁原子气室中发生相干布居囚禁效应的原子的Λ结构的基态能级的频率差。
本发明还提供一种上述双频探测相干布居囚禁原子钟的工作方法，包括以下步骤：
(1)所述的微波源输出微波信号ωmicro到原子钟锁频控制系统作为参考信号。
(2)所述的原子钟锁频控制系统将微波输入到激光器，对激光器进行相位调制，使激光器发出一系列激光，其中存在频率为ω1和ω2(ω1＝ω2+Nωmicro N为整数)的两束相干光可以与原子相互作用，产生相干布居囚禁效应。
(3)所述的激光器发出的激光入射到相干布居囚禁原子气室中，与相干布居囚禁原子相互作用，发生相干布居囚禁效应，然后从相干布居囚禁原子气室出射。
(4)所述的从相干布居囚禁原子气室出射的激光入射到不同频率光场的分离系统。
(5)所述的不同频率光场的分离系统将入射激光中频率接近ωab的光场从入射激光中分离出来，然后入射到光电探测器。
(6)所述的不同频率光场的分离系统将入射激光中频率接近ωac的光场从入射激光中分离出来，然后入射到光电探测器。
(7)所述的光电探测器将激光中频率接近ωab的光场的光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统。
(8)所述的光电探测器将激光中频率接近ωac的光场的光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统。
(9)所述的原子钟锁频控制系统根据光电探测器和光电探测器传输的电信号生成微波源输出微波的频率与原子跃迁频率的差值δ0＝ωmicro-ωcb，对微波源进行反馈调节。
本发明的基本原理是：
使用微波ωmicro对激光器进行相位调制产生一系列频率间隔为ωmicro的激光，将这一系列激光入射到原子蒸汽中，其中频率为ω1和ω2(ω2＝ω1+Nωmicro N为整数)的两束相干光与原子相互作用，产生相干布居囚禁效应，使得出射光光强发生改变。在这个原子系统中，出射光中频率为ω1的光场光强以及频率为ω2的光场光强作为微波的频率ωmicro的函数具有
型的关系，但是出射光中频率为ω1的光场光强以及频率为ω2的光场光强作为微波的频率ωmicro的函数的具体参数不同，这导致了两个函数具有不同的拐点以及峰值。相干布居囚禁实验研究发现：单光子失谐Δ＝ω1-ωab≈ω2-ωac、原子蒸汽的温度、输入激光功率、内部磁场强度等条件发生改变时，出射光中频率为ω1的光场的光强与注入原子系统的微波的频率ωmicro的函数关系、出射光中频率为ω2的光场的光强与注入原子系统的微波的频率ωmicro的函数关系都会发生改变，两个函数的峰值位置的移动方向相反，移动距离接近，两个函数的峰值位置的中间位置的频率始终等于原子跃迁频率ωmicro＝ωcb。由此，可通过测量出射光中频率为ω1的光场的光强以及出射光中频率为ω2的光场光强确定注入原子钟的微波的频率与原子跃迁频率的差值δ0＝ωmicro-ωcb，进而对微波的频率进行反馈与锁定，得到频率能长时间稳定在ωcb的微波输出。
本发明的有益效果为：
虽然出射光中频率为ω1的光场的频率-光强信号的峰值位置、出射光中频率为ω2的光场的频率-光强信号的峰值位置、出射光总的频率-光强信号的峰值位置都会随着单光子失谐、激光功率波动等因素的影响发生变化，但是出射光中频率为ω1的光场的频率-光强信号的峰值位置与出射光中频率为ω2的光场的频率-光强信号的峰值位置的中间点并不会随着单光子失谐、激光功率变化这等因素的影响发生显著变化。利用这两个频率-光强信号的峰值位置的中间点作为δ0＝ωmicro-ωcb＝0的频率基准点对原子钟频率进行锁定，可以有效地减小单光子失谐、激光功率波动等因素造成的原子钟频基准点的移动，从而获得具有更高频率稳定度的原子钟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用地附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中地附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的双频探测相干布居囚禁原子钟的工作流程图；
图2为相干布居囚禁原子的能级结构图；
图3为本发明的双频探测相干布居囚禁原子钟的具体结构示意图；
其中，图1中：1微波源、2原子钟锁频控制系统，3激光器，4相干布居囚禁原子气室，5不同频率光场的分离系统，6光电探测器，7光电探测器；
图3中：1微波源，2原子钟锁频控制系统，3激光器电流源，4 bias-T，5垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser-VCSEL)，6二向色性原子蒸汽激光锁频系统(Dichroic Atomic Vapor Laser Lock-DAVLL)，7分光棱镜，8四分之一波片，9装有铷泡的加热腔，10光纤耦合架，11柱透镜，12虚像相位阵列(Virtually Imaged PhasedArray-VIPA)，13柱透镜，14柱透镜，15狭缝，16凸透镜，17分光棱镜，18狭缝，19凸透镜，20光电管，21光电管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
一种双频探测相干布居囚禁原子钟，包括微波源1，原子钟锁频控制系统2，激光器3，相干布居囚禁原子气室4，不同频率光场的分离系统5，光电探测器6，光电探测器7。所述的相干布居囚禁原子气室4含有具有Λ型能级结构的原子的蒸汽。所述的不同频率光场的分离系统5一端与所述的相干布居囚禁原子气室4连接，另一端与光电探测器6和光电探测器7连接。
如图1为本发明的一种双频探测相干布居囚禁原子钟的工作过程示意图。
一种双频探测相干布居囚禁原子钟的具体工作过程如下：
(1)微波源1输出微波信号ωmicro到原子钟锁频控制系统2作为参考信号。
(2)原子钟锁频控制系统2将微波输入到激光器3，对激光器3进行相位调制，使激光器3发出一系列激光。
(3)激光器3发出的激光入射到相干布居囚禁原子气室4中，与相干布居囚禁原子相互作用，发生相干布居囚禁效应，然后从相干布居囚禁原子气室4出射。
(4)从相干布居囚禁原子气室出射的激光入射到不同频率光场的分离系统5。
(5)不同频率光场的分离系统5将入射激光中频率接近ωab的光场从入射激光中分离出来，然后入射到光电探测器6。
(6)不同频率光场的分离系统5将入射激光中频率接近ωac的光场从入射激光中分离出来，然后入射到光电探测器7。
(7)光电探测器6将激光中频率接近ωab的光场的光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统2。
(8)光电探测器7将激光中频率接近ωac的光场的光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统2.
(9)原子钟锁频控制系统2根据光电探测器6和光电探测器7传输的电信号生成微波源输出微波的误差信号δ0＝ωmicro-ωcb，对微波源进行反馈调节。
如图2为相干布居囚禁原子的能级结构图，可以用于相干布居囚禁的原子都具有Λ型的能级结构，其中原子的|b>能级到|c>能级的跃迁频率记为ωcb，原子的|b>能级到|a>能级的跃迁频率记为ωab，原子的|c>能级到|a>能级的跃迁频率记为ωac。
如图3是本发明的双频探测相干布居囚禁原子钟的一种具体结构示意图。该原子钟包括1微波源，2原子钟锁频控制系统，3激光器电流源，4 bias-T，5垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser-VCSEL)，6二向色性原子蒸汽激光锁频系统(Dichroic Atomic Vapor Laser Lock-DAVLL)，7分光棱镜，8四分之一波片，9装有铷泡的加热腔，10光纤耦合架，11柱透镜，12虚像相位阵列(Virtually Imaged Phased Array-VIPA)，13柱透镜，14柱透镜，15狭缝，16凸透镜，17分光棱镜，18狭缝，19凸透镜，20光电管，21光电管。
如图3所示，1对应工作流程图中的微波源1模块；2对应工作流程图中的原子钟锁频控制系统2模块；3-8对应工作流程图中的激光器3模块；9为装有铷泡的加热腔，对应工作流程图中的相干布居囚禁原子气室4模块；10-19构成工作流程图中的不同频率光场的分离系统5模块；20构成工作流程图中的光电探测器6模块；21构成工作流程图中的光电探测器7模块。
基于图3所示的相干布居囚禁原子钟的工作原理如下：
(1)微波源1输出微波信号ωmicro到原子钟锁频控制系统2作为参考信号。
(2)原子钟锁频控制系统2将微波输入到bias-T，与激光器电流源3输出的直流电流混合后注入垂直腔面发射激光器5，垂直腔面发射激光器5受到激光器电流源3和原子钟控制系统2的驱动发出一系列激光。出射的激光一部分由分光棱镜7射入二向色性原子蒸汽锁频系统6，另一部分入射到装有铷泡的加热腔7内。二向色性原子蒸汽锁频系统6对入射激光的频率成分进行探测，通过对注入激光器电流的调控将垂直腔面发射激光器5发出的激光的0级光频率稳定在87Rb的D1线F＝2→F′＝1。
(3)出射的激光一部分由分光棱镜7射入到装有铷泡的加热腔9内。入射到装有铷泡的加热腔9内的激光中频率为ω1的0级光与频率为ω2＝ω1+ωmicro的1级光与87Rb原子相互作用，发生相干布居囚禁效应，光强发生变化，然后从装有铷泡的加热腔7出射。
(4)经光纤耦合架10后由柱透镜11聚焦到虚像相位阵列12的入射平面。入射虚像相位阵列12的光场在高反膜之间来回透射反射，产生一系列具有相同空间间隔与相同相位差的出射光。由虚像相位阵列12出射的光束由柱透镜13横向缩窄，由柱透镜14纵向聚焦，在焦点处产生一系列干涉亮斑。分光棱镜17将干涉亮斑分为相同的两份。
(5)第一份干涉亮斑由狭缝15遮挡掉0级光的干涉亮斑，保留1级光的干涉亮斑，由凸透镜16汇聚到光电管20。
(6)第二份干涉亮斑由狭缝18遮挡掉1级光的干涉亮斑，保留0级光的干涉亮斑，由凸透镜19汇聚到光电管21。
(7)光电管20对频率为ω2的1级光进行探测，将光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统2。
(8)光电管21对频率为ω1的0级光进行探测，将光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统2。
(9)原子钟锁频控制系统2根据光电管20和光电管21传输的电信号生成微波源输出微波的误差信号δ0＝ωmicro-ωcb，对微波源进行PID调节。
Claims (2)
1.一种双频探测相干布居囚禁原子钟，其特征在于，包括微波源(1)，原子钟锁频控制系统(2)，激光器(3)，相干布居囚禁原子气室(4)，不同频率光场的分离系统(5)，光电探测器(6)，光电探测器(7)；所述的相干布居囚禁原子气室(4)含有具有Λ型能级结构的原子蒸汽；所述的不同频率光场的分离系统(5)是任意一种能够将一束含有多种频率成分的光在空间上分离开的光学系统；所述的不同频率光场的分离系统(5)一端与所述的相干布居囚禁原子气室(4)连接，另一端与光电探测器(6)和光电探测器(7)连接。
2.一种如权利要求1所述的双频探测相干布居囚禁原子钟的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)所述的微波源(1)输出微波信号ωmicro到原子钟锁频控制系统(2)作为参考信号；
(2)所述的原子钟锁频控制系统(2)将微波输入到激光器(3)，对激光器(3)进行相位调制，使激光器(3)发出一系列激光，其中存在频率为ω1和ω2的两束相干光可以与原子相互作用，产生相干布居囚禁效应，ω1＝ω2+Nωmicro，N为整数；
(3)所述的激光器(3)发出的激光入射到相干布居囚禁原子气室(4)中，与相干布居囚禁原子相互作用，发生相干布居囚禁效应，然后从相干布居囚禁原子气室(4)出射；
(4)所述的从相干布居囚禁原子气室出射的激光入射到不同频率光场的分离系统(5)；
(5)所述的不同频率光场的分离系统(5)将入射激光中频率为ω1的光场从入射激光中分离出来，然后入射到光电探测器(6)；
(6)所述的不同频率光场的分离系统(5)将入射激光中频率为ω2的光场从入射激光中分离出来，然后入射到光电探测器(7)；
(7)所述的光电探测器(6)将激光中频率为ω1的光场的光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统(2)；
(8)所述的光电探测器(7)将激光中频率为ω2的光场的光强信号转换为电信号传输到原子钟锁频控制系统(2)；
(9)所述的原子钟锁频控制系统(2)根据光电探测器(6)和光电探测器(7)传输的电信号生成微波源输出微波的频率与原子跃迁频率的差值δ0＝ωmicro-ωcb，对微波源进行反馈调节。
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