CN111884653B - 一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法，本发明涉及冷原子频率微波腔频率控制技术领域，以解决现有的积分球冷原子钟微波腔频率控制方案中，过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等问题。其中装置包括：本振控制回路，用于向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；腔频控制回路，用于向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收钟信号，根据调制信号和钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。上述方法及装置用于周期性通过本振控制回路锁定本地振荡器的基础上，通过腔频控制回路实现微波腔频率的稳定。

Description

一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法

技术领域

本发明涉及冷原子频率微波腔频率控制技术领域，尤其涉及一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法。

背景技术

积分球冷原子钟作为一种新型的小型化冷原子钟，具有稳定度高、准确度高、频率漂移低、体积小、重量轻和功耗低等优点，可应用于卫星导航、时间频率计量和基础物理研究等领域。其主要利用微波腔内形成的漫反射光场对原子进行激光冷却，同时将冷原子与微波腔内的磁场相互作用产生跃迁谱线，最终利用该谱线将本地振荡器的输出频率锁定的冷原子基态能级的跃迁频率上。该锁定过程中，微波腔可同时实现激光冷却和提供微波振荡场的双重功能，从根本上决定了冷原子温度、跃迁谱线以及频率稳定度等整钟性能，是积分球冷原子钟的核心器件。

现有的积分球冷原子钟微波腔频率控制方案中，主要是对微波腔采取温控方案实现间接的控制微波腔频率，但是这种间接方式具有过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法，用于在周期性通过本振控制回路锁定本地振荡器的基础上，通过腔频控制回路实现微波腔频率的稳定。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，包括：本振控制回路和腔频控制回路；

所述本振控制回路，用于向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；

所述腔频控制回路，用于向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收所述钟信号，根据所述调制信号和所述钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

与现有技术相比，本发明提供的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法，可以在周期性通过本振控制回路锁定本地振荡器的基础上，通过腔频控制回路实现微波腔频率的稳定。通过电控实现稳定微波腔频率的目的，解决了现有方案所存在过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等问题，同时本发明思路合理、逻辑简单、易操作和实现，具有较高的实用性。

本发明还提供一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的方法，本振控制回路向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；

腔频控制回路向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收所述钟信号，根据所述调制信号和所述钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

与现有技术相比，本发明提供的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置和方法，可以在周期性通过本振控制回路锁定本地振荡器的基础上，通过腔频控制回路实现微波腔频率的稳定。通过电控实现稳定微波腔频率的目的，解决了现有方案所存在过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等问题，同时本发明思路合理、逻辑简单、易操作和实现，具有较高的实用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置的示意性结构图；

图2为本发明实施例中用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

积分球冷原子钟主要利用微波腔内形成的漫反射光场对原子进行激光冷却，同时将冷原子与微波腔内的磁场相互作用产生跃迁谱线，最终利用该谱线将本地振荡器的输出频率锁定的冷原子基态能级的跃迁频率上。该锁定过程中，微波腔可同时实现激光冷却和提供微波振荡场的双重功能，从根本上决定了冷原子温度、跃迁谱线以及频率稳定度等整钟性能，是积分球冷原子钟的核心器件。

理论上，微波腔的共振频率即微波腔频率应该与原子基态能级的跃迁频率相等，并通过耦合环将外部微波信号耦合进微波腔内形成特定的与冷原子相互作用的磁场模式。但是实际上，由于受到环境温度变化、冷却光功率起伏、机械形变等因素的干扰，微波腔频率并不与原子跃迁频率相等，同时会随时间变化。首先由于微波频率与原子跃迁频率不一致将导致微波场幅度相对于原子跃迁频率不对称，通过腔牵引效应引起原子跃迁频率发生移动产生频移，恶化积分球冷原子钟的频率准确度指标；同时微波腔频率的变化也会通过原子与微波相互作用影响积分球冷原子钟的长期频率稳定度指标。

本申请提出积分球冷原子钟微波腔频率稳定的装置和方法，旨在控制微波腔频率，并解决现有方案所存在过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等问题，为研制高准确度和高稳定度的积分球冷原子钟做好技术准备。

请参阅图1，本发明实施例提供的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，包括：本振控制回路和腔频控制回路；

本振控制回路，用于向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；

腔频控制回路，用于向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收钟信号，根据调制信号和钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

具体实施时：在本振控制回路的基础上，利用腔频控制回路完成。其工作过程先后主要分为四个环节，分别是调制微波腔频率、提取钟信号、解调腔频误差信号和反馈微波腔。首先信号发生器通过第一变容二极管调制微波腔频率，使腔频根据调制频率发生切换；之后微波频率与冷原子相互作用，产生钟信号，该钟信号由探测光路进行提取；提取后的钟信号分为2路，一路进入本振控制回路稳定本地振荡器的输出频率，另一路进入混频器与调制信号进行解调，由于包含调制信号的微波腔频率变化量包含于钟信号中，所以经调制信号解调后的误差信号中将包含微波腔频率变化量，即该误差信号可表征腔频变化量；误差信号经腔伺服回路处理成为反馈信号；最终反馈信号将通过改变变容二极管电压补偿微波腔频率变化量，将微波腔频率锁定到原子跃迁频率上。

需要说明的是，对于微波腔调制频率大小，首先应该考虑调制频率即腔频切换频率应小于微波腔对电磁信号的响应频率(一般为105Hz量级)，同时微波腔维持在每个腔频处的时间应小于微波与冷原子相互作用时间(一般为ms量级)以此保证调制信息包含于钟信号中，即微波腔腔频切换频率应大于103Hz量级。因此调微波腔制频率范围为大于103Hz，且小于105Hz。

通过上述具体实施过程可知，本发明提供的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，可以在周期性通过本振控制回路锁定本地振荡器的基础上，通过腔频控制回路实现微波腔频率的稳定。通过电控实现稳定微波腔频率的目的，解决了现有方案所存在过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等问题，同时本发明思路合理、逻辑简单、易操作和实现，具有较高的实用性。

作为一种可实施方式，腔频控制回路包括信号发生器、腔伺服电路、混频器、第一变相二极管和第二变相二极管；

信号发生器用于生成调制信号，将调制信号发送至第一变相二极管和混频器；

混频器用于接收本振控制回路反馈的钟信号，将钟信号和调制信号混频后，生成腔频误差信号；

腔伺服电路用于将腔频误差信号转换为反馈信号，将反馈信号输送至第二变相二极管；

第一变相二极管和第二变相二极管均安装在微波腔内，第一变相二极管用于向微波腔输入调制信号；第二变相二极管用于向微波腔输入反馈信号。

为了对微波腔频率进行稳定，在本振控制回路的基础上增添腔频控制回路。该回路包括信号发生器、混频器、腔伺服电路、2个变容二极管(即第一变容二极管和第二变容二极管)。其中，信号发生器用于产生2路调制信号，一路调制信号将注入进微波腔内，对腔频进行周期性调制，另一路调制信号将进入混频器，与钟信号进行混频；2个变容二极管均需要通过耦合环安装在微波腔内，一个作为调制端，用于向微波腔注入信号发生器产生的调制信号，使微波腔腔频在不同频率之间来回切换，另一个作为腔频反馈端，用于向微波注入反馈信号，通过改变变容二极管的电压来调节腔频，补偿腔频的变化量，使腔频稳定在预期值上；混频器用来将钟信号和调制信号进行混频处理，产生可以表征腔频变化的误差信号；腔伺服电路对腔频误差信号进行处理后，反馈至变容二极管，将微波腔频率锁定到原子跃迁频率上。

作为一种可实施方式，第一变相二极管和第二变相二极管均通过微波耦合环安装在微波腔内。进一步的，第一变相二极管和第二变相二极管安装在微波腔内腔顶部，并在微波腔内对称设置。

第一变相二极管和第二变相二极管能够像微波腔内输入调制信号和反馈信号，采用对称设置在微波腔内腔顶部的形式，能够更好的向微波腔内输入信号，降低信号干扰，确保信号的稳定。进一步的，第一变相二极管和第二变相二极管在探测光路发射的光路的两侧对称设置，确保了信号发送以及调节的稳定性。

作为一种可实施方式，本振控制回路包括本地振荡器、微波链路、微波耦合环、微波腔、探测光路、探测光、0°反射镜和微波伺服电路；

本地振荡器用于生成射频信号，将射频信号发送至微波链路；

微波链路用于将射频信号倍频至原子跃迁频率，将倍频后的射频信号通过微波耦合环发送至微波腔；

微波腔用于与接受到的射频信号发生共振，形成振荡模式，与微波腔内的冷原子团生成钟信号；

探测光路用于向微波腔发送探测光，探测光经0°反射镜反射后，对钟信号进行提取；

微博伺服电路用于对钟信号进行处理，将处理后的钟信号反馈至本地振荡器；

本地振荡器还用于输出频率为冷原子跃迁频率的输出信号。

进一步的，微波链路通过微波耦合环向微波腔发送射频信号。

本振控制回路是积分球冷原子钟现有回路，主要用于探测微波腔内产生的钟跃迁信号，并从该跃迁信号中提取出微波频率的变化信号，进而根据该信号将本地振荡器的频率锁定到原子跃迁频率上，使本地振荡器输出具有高稳定度、高准确度和低频率漂移率特性的信号。该回路主要由本地振荡器、微波链路、微波耦合环、微波腔、探测光路、探测光、0°反射镜和微波伺服电路。其中，本地振荡器可提供两路射频信号，一路进入微波链路进行倍频，另一路作为整钟的输出信号，用作比对源或参考源；微波链路主要用于将本地振荡器的射频信号倍频至原子跃迁频率；微波耦合环将微波链路输出信号耦合进微波腔内；微波腔不仅可实现激光冷却，而且可与微波信号发生共振并形成特定的振荡模式与冷原子相互作用产生钟信号；探测光路向微波腔内提供探测光，探测光经0°反射镜后形成驻波探测冷原子吸收光强，即为钟信号，钟信号；微波伺服环路对钟信号进行处理后，反馈至本地振荡器，将本地振荡器的输出频率锁定到冷原子跃迁频率上。

作为一种可实施方式，探测光路发射的探测光，穿过冷原子的中心。

探测光穿过冷原子中心，确保了钟信号的生成，以及生成钟信号的稳定性。

请参阅图2，本发明还提供了一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的方法，方法应用了用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，方法包括：

本振控制回路向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；

腔频控制回路向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收钟信号，根据调制信号和钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

通过上述具体实施过程可知，本发明提供的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，可以在周期性通过本振控制回路锁定本地振荡器的基础上，通过腔频控制回路实现微波腔频率的稳定。通过电控实现稳定微波腔频率的目的，解决了现有方案所存在过度依赖温控水平、抗干扰能力差、响应速度慢、频率控制精度低等问题，同时本发明思路合理、逻辑简单、易操作和实现，具有较高的实用性。

作为一种可实施方式，腔频控制回路向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收钟信号，根据调制信号和钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定，包括：

信号发生器成调制信号，将调制信号发送至第一变相二极管和混频器；

混频器接收本振控制回路反馈的钟信号，将钟信号和调制信号混频后，生成腔频误差信号；

腔伺服电路将腔频误差信号转换为反馈信号，将反馈信号输送至第二变相二极管；

第一变相二极管用于向微波腔输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；第二变相二极管用于向微波腔输入反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

为了对微波腔频率进行稳定，在本振控制回路的基础上增添腔频控制回路。该回路包括信号发生器、混频器、腔伺服电路、2个变容二极管(即第一变容二极管和第二变容二极管)。其中，信号发生器用于产生2路调制信号，一路调制信号将注入进微波腔内，对腔频进行周期性调制，另一路调制信号将进入混频器，与钟信号进行混频；2个变容二极管均需要通过耦合环安装在微波腔内，一个作为调制端，用于向微波腔注入信号发生器产生的调制信号，使微波腔腔频在不同频率之间来回切换，另一个作为腔频反馈端，用于向微波注入反馈信号，通过改变变容二极管的电压来调节腔频，补偿腔频的变化量，使腔频稳定在预期值上；混频器用来将钟信号和调制信号进行混频处理，产生可以表征腔频变化的误差信号；腔伺服电路对腔频误差信号进行处理后，反馈至变容二极管，将微波腔频率锁定到原子跃迁频率上。

作为一种可实施方式，本振控制回路向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号，包括：

本地振荡器生成射频信号，将射频信号发送至微波链路；

微波链路将射频信号倍频至原子跃迁频率，将倍频后的射频信号通过微波耦合环发送至微波腔；

微波腔与接受到的射频信号发生共振，形成振荡模式，与微波腔内的冷原子团相互作用生成钟信号；

探测光路向微波腔发送探测光，经0°反射镜反射后的探测光路对钟信号进行提取；

微波伺服电路对钟信号进行处理，将处理后的钟信号反馈至本地振荡器；

本地振荡器还用于输出频率为冷原子跃迁频率的输出信号。

本振控制回路是积分球冷原子钟现有回路，主要用于探测微波腔内产生的钟跃迁信号，并从该跃迁信号中提取出微波频率的变化信号，进而根据该信号将本地振荡器的频率锁定到原子跃迁频率上，使本地振荡器输出具有高稳定度、高准确度和低频率漂移率特性的信号。该回路主要由本地振荡器、微波链路、微波耦合环、微波腔、探测光路、探测光、0°反射镜和微波伺服电路。其中，本地振荡器可提供两路射频信号，一路进入微波链路进行倍频，另一路作为整钟的输出信号，用作比对源或参考源；微波链路主要用于将本地振荡器的射频信号倍频至原子跃迁频率；微波耦合环将微波链路输出信号耦合进微波腔内；微波腔不仅可实现激光冷却，而且可与微波信号发生共振并形成特定的振荡模式与冷原子相互作用产生钟信号；探测光路向微波腔内提供探测光，探测光经0°反射镜后形成驻波探测冷原子吸收光强，即为钟信号，钟信号；微波伺服环路对钟信号进行处理后，反馈至本地振荡器，将本地振荡器的输出频率锁定到冷原子跃迁频率上。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，其特征在于，包括：本振控制回路和腔频控制回路；

所述本振控制回路，用于向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；

所述腔频控制回路，用于向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收所述钟信号，根据所述调制信号和所述钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定；

所述腔频控制回路包括信号发生器、腔伺服电路、混频器、第一变相二极管和第二变相二极管；

所述信号发生器用于生成调制信号，将所述调制信号发送至所述第一变相二极管和所述混频器；

所述混频器用于接收所述本振控制回路反馈的钟信号，将所述钟信号和所述调制信号混频后，生成腔频误差信号；

所述腔伺服电路用于将所述腔频误差信号转换为反馈信号，将所述反馈信号输送至所述第二变相二极管；

所述第一变相二极管和所述第二变相二极管均安装在微波腔内，所述第一变相二极管用于向微波腔输入调制信号；所述第二变相二极管用于向微波腔输入反馈信号；

所述本振控制回路包括本地振荡器、微波链路、微波腔、探测光路、探测光、0°反射镜和微波伺服电路；

所述本地振荡器用于生成射频信号，将所述射频信号发送至所述微波链路；

所述微波链路用于将所述射频信号倍频至原子跃迁频率，将倍频后的射频信号发送至微波腔；

所述微波腔用于与接受到的射频信号发生共振，形成振荡模式，与所述微波腔内的冷原子团生成钟信号；

所述探测光路用于向所述微波腔发送探测光，探测光经所述0°反射镜反射后，对所述钟信号进行提取；

所述微波伺服电路用于对所述钟信号进行处理，将处理后的钟信号反馈至所述本地振荡器；

所述本地振荡器还用于输出频率为冷原子跃迁频率的输出信号。

2.根据权利要求1所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，其特征在于，所述第一变相二极管和所述第二变相二极管均通过微波耦合环安装在微波腔内。

3.根据权利要求2所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，其特征在于，所述第一变相二极管和所述第二变相二极管安装在微波腔内腔顶部，并在微波腔内对称设置。

4.根据权利要求1所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，其特征在于，所述探测光路发射的探测光，穿过冷原子的中心。

5.根据权利要求1所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，其特征在于，所述微波链路通过微波耦合环向微波腔发送射频信号。

6.一种用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的方法，其特征在于，应用权利要求1至5任一项所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的装置，所述方法包括：

本振控制回路向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号；

腔频控制回路向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收所述钟信号，根据所述调制信号和所述钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

7.如权利要求6所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的方法，其特征在于，所述腔频控制回路向微波腔内输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；接收所述钟信号，根据所述调制信号和所述钟信号生成反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定，包括：

信号发生器成调制信号，将所述调制信号发送至第一变相二极管和混频器；

所述混频器接收所述本振控制回路反馈的钟信号，将所述钟信号和所述调制信号混频后，生成腔频误差信号；

腔伺服电路将所述腔频误差信号转换为反馈信号，将所述反馈信号输送至所述第二变相二极管；

所述第一变相二极管用于向微波腔输入调制信号，对微波腔腔频进行周期调制；所述第二变相二极管用于向微波腔输入反馈信号，对腔频调制过程中的变化量进行补偿，实现对腔频锁定。

8.如权利要求6所述的用于稳定积分球冷原子钟微波腔频率的方法，其特征在于，所述本振控制回路向微波腔内输入倍频至原子跃迁频率的射频信号，生成并接收钟信号，包括：

本地振荡器生成射频信号，将所述射频信号发送至微波链路；

所述微波链路将所述射频信号倍频至原子跃迁频率，将倍频后的射频信号发送至微波腔；

所述微波腔与接受到的射频信号发生共振，形成振荡模式，与所述微波腔内的冷原子团相互作用生成钟信号；

所述探测光路向所述微波腔发送探测光，经所述0°反射镜反射后的探测光路对所述钟信号进行提取；

所述微波伺服电路对所述钟信号进行处理，将处理后的钟信号反馈至所述本地振荡器；

所述本地振荡器还用于输出频率为冷原子跃迁频率的输出信号。

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