CN114578547B - 一种原子束光钟光束指向控制方法及装置 - Google Patents

一种原子束光钟光束指向控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种原子束光钟光束指向控制方法及装置。装置包括激光源、反射镜、分束镜、两个CCD成像系统、带压电调节器的光学调整架、压电控制器、计算机和原子炉等。该方案可以消除由于温度变化、光学调整架形变或微小震动引起的激光在传输过程中的漂移或快速抖动，通过对光束指向位置坐标的实时监控和数据采集，并引入反馈调节，达到控制原子束光钟光束指向的目的，并且可以验证控制光束变化的精度。由于是对反射光路进行反馈控制，不影响原光路激光与原子束的作用，将改善后的激光与原子束作用可以显著提高原子钟稳定度指标。且本方案结构简单、实用性强，通过实时反馈控制，能有效地控制光束指向，可实现小型化模块。

Description

一种原子束光钟光束指向控制方法及装置
技术领域
本申请涉及激光技术领域，尤其涉及一种原子束光钟光束指向控制方法及装置。
背景技术
时间的精确计时与不断发展的原子钟技术密不可分。传统微波原子钟被广泛应用于通信、导航、守时等领域，但要再进一步提高指标已经比较困难。原子频标采用量子跃迁频率作为时间基准的参考，由于跃迁频率的不稳定度也可能带来许多干扰，而光频标比微波频标的稳定度高两个量级以上，因此光频标是量子频标未来的发展趋势，目前甚高精度的光频标通常采用冷原子方案，但复杂的冷却光系统却很难实现小型化和工程化应用，采用热原子束方案的钙原子光频标由于没有冷却光系统，具有实现小型化和工程化的潜力，因此在卫星导航、通信等工程应用领域具有潜在的应用需求。
而目前钙原子束光频标钟跃迁光谱信号弱、信噪比低，钙原子束光频标闭环锁定稳定度指标因此受到限制。因此需要通过定量分析和优化影响钙原子束光频标稳定度的指标，其中光束指向变化对原子频率标准的稳定度影响较大，因此需要检测光束指向偏差并进行实时控制，且为了满足钙热原子钟小型化的需要，需要控制系统结构简单、易于操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原子束光钟光束指向控制方法及装置，以解决上述背景技术中提到的目前钙原子束光频标钟跃迁光谱信号弱、信噪比低，钙原子束光频标闭环锁定稳定度指标因此受到限制的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：本申请实施例提供一种原子束光钟光束指向控制方法，包括：
激光源发出激光光束，保持激光光束入射到反射镜上，然后所述反射镜输出的激光光束再入射到分束镜；
入射到分束镜的激光光束输出后分成互相垂直的两路激光光束，其中与分束镜入射方向相垂直的激光光束入射到用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统；从分束镜透射后的激光光束入射到原子炉后，再入射到用于验证光束指向控制精度的第二CCD成像系统；
基于所述第一CCD成像系统和第二CCD成像系统采集的激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始光束中心坐标作为参考位置；将第一CCD成像系统获取的所述初始光束中心坐标输出到计算机，然后测量后续光束中心坐标相对作为参考位置的初始光束中心坐标的变化，将坐标变化转换为电压信号，计算机通过压电控制器控制调整反射镜的俯仰角和偏转角；
调节激光源反射镜的俯仰角与偏转角，直到调节后的光束中心坐标与所述初始光束中心坐标的参考位置重合。
进一步地，所述第一CCD成像系统采集激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始光束中心坐标(x,y)作为参考位置；将第一CCD成像系统后续采集到的光束中心坐标与所述初始光束中心坐标(x,y)对比，由计算机测算出坐标变化的距离误差信号Δx1和Δy1，由此得到水平方向的偏转角的偏移量α和竖直方向俯仰角的偏移量β并储存在计算机中，其中：
x表示水平方向上反射镜到分束镜的距离，x1表示水平方向上分束镜到第一CCD成像系统的距离，Δx1表示水平方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；x2表示水平方向上分束镜到第二CCD成像系统的距离，Δx2表示水平方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
y表示竖直方向上反射镜到分束镜的距离，y1表示竖直方向上分束镜到第一CCD成像系统的距离，Δy1表示竖直方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；y2表示竖直方向上分束镜到第二CCD成像系统的距离，Δy2表示竖直方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量。
进一步地，所述计算机通过压电控制器控制调整反射镜的俯仰角和偏转角，具体为：所述计算机通过压电控制器控制反射镜中带压电调节器的光学调整架，分别对激光光束水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正。
进一步地，所述对激光光束水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正，使激光光束指向接近所述初始光束中心坐标，具体为：通过对激光光束水平方向的偏转角的偏移量α和竖直方向的俯仰角的偏移量β，确定光学调整架的调节范围；对于水平方向的偏转角，产生α的偏移量时，光学调整架的偏转角调整对于竖直方向的俯仰角，产生β的偏移量时，光学调整架的俯仰角调整/>
进一步地，所述计算机将储存的水平方向上偏转角的偏移量α和竖直方向上俯仰角的偏移量β转换为电压量，输出给压电控制器，压电控制器进行反馈控制反射镜的光学调整架，进而控制光束指向。
进一步地，所述光束指向的误差角度小于等于50nrad。
本申请实施例还提供一种原子束光钟光束指向控制装置，包括：激光源、反射镜、分束镜、用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统、用于验证光束指向控制精度的第二CCD成像系统、计算机、压电控制器和原子炉，其中：
所述激光源输出的光束入射到反射镜上；
所述反射镜将激光源输出的光束经过反射后，入射到分束镜；
所述分束镜输出互相垂直的两路光束，所述两路光束其中一束入射到所述第一CCD成像系统，所述两路光束另一束入射到所述第二CCD成像系统；
所述第一CCD成像系统、计算机、压电控制器和反射镜依次电连接；
所述分束镜、第二CCD成像系统、原子炉在同一水平方向上。
优选的，所述反射镜由光学镜片和带压电调节器的光学调整架组成，所述带压电调节器的光学调整架输入端连接压电控制器。
优选的，所述原子炉设置在分束镜、第二CCD成像系统之间。
优选的，所述第一CCD成像系统的测量精度小于等于0.01μm，所述反射镜到第一CCD成像系统的光路长度为20cm。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：能够实现对光束指向偏差的实时监测与控制，目前指向误差为30μrad，频率稳定度为2.4×10-14，本发明将光束指向误差控制在50nrad，提高了钙原子束光钟实验系统的稳定度，根据频率稳定度公式，理论上可提高1个量级甚至更多，将极大地提高光学计量能力。且本发明设计的系统结构简单、操作方便，易于实现小型化装置，对小型钙热原子束光钟系统的研究意义重大。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种原子束光钟光束指向控制装置原理框图；
图2为本发明一种原子束光钟光束指向控制装置结构示意图；
图3为本发明一种原子束光钟光束指向控制方法计算原理图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
如图1、2、3所示，本实施例提供一种原子束光钟光束指向控制方法，包括以下步骤：
步骤一、激光源1发出激光光束，入射到反射镜2上，然后经过反射镜2的激光光束再入射到分束镜3；
步骤二、入射到分束镜3的激光光束输出后分成互相垂直的两路激光光束，其中与分束镜3入射方向相垂直的激光光束入射到用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统4；从分束镜3透射后的激光光束入射到原子炉5后，再入射到用于验证光束指向控制精度的第二CCD成像系统8；
步骤三、基于第一CCD成像系统4和第二CCD成像系统8采集的激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始的光束中心坐标作为参考值；将第一CCD成像系统4的光束中心坐标输出到计算机6，测量光束中心坐标相对参考位置的变化，将坐标变化转换为电压信号，通过压电控制器7控制调整反射镜2的俯仰角和偏转角；
步骤四、重复步骤一、步骤二、步骤三，不断调节激光源反射镜2的俯仰角与偏转角，直到光束中心位置与初始光束中心坐标的参考位置重合，实现光束指向控制，抑制光束指向波动的影响。
本实施例中，第一CCD成像系统4采集激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始光束中心坐标(x,y)作为参考位置；将第一CCD成像系统4后续采集到的光束中心坐标与初始光束中心坐标(x,y)对比，由计算机6测算出坐标变化的距离误差信号Δx1和Δy1，由此得到水平方向的偏转角的偏移量α和竖直方向俯仰角的偏移量β并储存在计算机6中，其中：
x表示水平方向上反射镜2到分束镜3的距离，x1表示水平方向上分束镜3到第一CCD成像系统4的距离，Δx1表示水平方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；x2表示水平方向上分束镜3到第二CCD成像系统8的距离，Δx2表示水平方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
y表示竖直方向上反射镜2到分束镜3的距离，y1表示竖直方向上分束镜3到第一CCD成像系统4的距离，Δy1表示竖直方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；y2表示竖直方向上分束镜3到第二CCD成像系统8的距离，Δy2表示竖直方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量。
本实施例中，计算机6通过压电控制器7控制调整反射镜2的俯仰角和偏转角，具体为：计算机6通过压电控制器7控制反射镜2中带压电调节器的光学调整架2-2，分别对激光光束水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正。
本实施例中，对激光光束水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正，具体为：通过对激光光束水平方向的偏转角的偏移量α和竖直方向的俯仰角的偏移量β，确定光学调整架2-2的调节范围；对于水平方向的偏转角，产生α的偏移量时，光学调整架2-2的偏转角调整对于竖直方向的俯仰角，产生β的偏移量时，光学调整架2-2的俯仰角调整/>
本实施例中，计算机6将储存的水平方向上偏转角的偏移量α和竖直方向上俯仰角的偏移量β转换为电压量，输出给压电控制器7，压电控制器7进行反馈控制反射镜2的光学调整架2-2，进而达到光束指向控制的目的。
本实施例中，第一CCD成像系统4的测量精度为0.01μm，反射镜2到CCD成像系统4的光路长度为20cm，则光束指向误差角度可以控制在能够实现较好的谱线探测。
实施例2
如图1、2所示，本实施例提供一种原子束光钟光束指向控制装置，包括：激光源1、反射镜2、分束镜3、用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统4、用于验证光束指向控制精度的第二CCD成像系统8、计算机6、压电控制器7和原子炉5。反射镜2由光学镜片2-1和带压电调节器的光学调整架2-2组成，带压电调节器的光学调整架2-2输入端连接压电控制器7。如图1、2所示，第一CCD成像系统4、计算机6、压电控制器7和反射镜2依次电连接；分束镜3、第二CCD成像系统8、原子炉5在同一水平方向上，且原子炉5设置在分束镜3、第二CCD成像系统8之间。
首先固定激光源1，激光源1也可以是为了满足原子钟系统经过不同光学元件的激光源，激光源1发出激光，光束入射到反射镜2上，光路改变传播方向，入射到分束镜3。激光经过分束镜3后，分成互相垂直的两路光束，一束光沿与原光路垂直的方向入射到用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统4；另一束光沿原光路继续传播，入射到原子炉5与原子束相互作用，最后入射到第二CCD成像系统8。
用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统4，能够采集到激光光斑成像情况，将光信号转换为电信号。基于第一CCD成像系统4和第二CCD成像系统8采集的激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始的光束中心坐标作为参考值。将第一CCD成像系统4的光束中心坐标输出到计算机6，测量光束中心坐标相对参考位置的变化，将坐标变化转换为电压信号，通过压电控制器7控制调整反射镜2的俯仰角和偏转角。
第一CCD成像系统4采集激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始的光束中心坐标(x,y)，作为参考值。将CCD成像系统4后续采集到的数据与所述参考位置坐标对比，由计算机6测算出坐标变化的距离误差信号Δx1和Δy1，由此可以得到偏转角的偏移量α和俯仰角的偏移量β并储存在计算机6中：
x表示水平方向上反射镜2到分束镜3的距离，x1表示水平方向上分束镜3到第一CCD成像系统4的距离，Δx1表示水平方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；x2表示水平方向上分束镜3到第二CCD成像系统8的距离，Δx2表示水平方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
y表示竖直方向上反射镜2到分束镜3的距离，y1表示竖直方向上分束镜3到第一CCD成像系统4的距离，Δy1表示竖直方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；y2表示竖直方向上分束镜3到第二CCD成像系统8的距离，Δy2表示竖直方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量。
压电控制器7控制反射镜2中带压电调节器的光学调整架2-2，分别对水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正，使光束指向接近参考位置坐标。由水平方向的偏转角的偏移量α和俯仰角的偏移量β，可以确定光学调整架2-2的调节范围。对于水平方向的偏转角，产生α的偏移量时，光学调整架的偏转角需要调整对于竖直方向的俯仰角，产生β的偏移量时，光学调整架的俯仰角需要调整/>
计算机6将储存的水平方向上偏转角的偏移量α和竖直方向上俯仰角的偏移量β转换为电压量，输出给压电控制器7，压电控制器进行反馈控制反射镜2的光学调整架，进而达到光束指向控制的目的。
另外，在第二CCD成像系统8上可以观测到激光光斑中心的位置变化情况，用来验证光束指向控制的精度。
在本实例中，第一CCD成像系统4的测量精度为0.01μm，反射镜2到CCD成像系统4的光路长度为20cm，则光束指向误差角度可以控制在能够实现较好的谱线探测。
本实施例采用的原子钟系统的稳定度用阿伦偏差来表征，即相邻两个采样段内平均频率差的起伏。假设频率标准信号的主要噪声为白频率噪声，频率标准的频率稳定度可以表示为：
其中，K是一个常数，Δv是原子谱线的线宽，v0为原子谱线的跃迁频率，S/N为原子探测谱线的信噪比，τ为采样平均时间。
光束指向的变化会影响探测的原子谱线线宽和信噪比，进而影响原子频率标准的稳定度。本申请能够实时对光束指向位置坐标进行监控和数据采集，并引入反馈调节来消除激光在传输过程中的漂移或快速抖动，并且可以测出光束变化控制的精度。由于是对反射光路进行反馈控制，不影响原光路激光与原子束的作用。目前指向误差为30μrad，频率稳定度为2.4×10-14，本发明将光束指向误差控制在50nrad，提高了钙原子束光钟实验系统的稳定度。根据频率稳定度公式，频率稳定度正比于根据敏感度4Hz/μrad，理论上系统稳定度可以提高1个量级甚至更多，实现更好的频率标准的闭环锁定与输出，将极大地提高计量能力。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种原子束光钟光束指向控制方法，其特征在于，包括：
激光源（1）发出激光光束，入射到反射镜（2）上，然后所述反射镜（2）输出的激光光束再入射到分束镜（3）；
入射到分束镜（3）的激光光束输出后分成互相垂直的两路激光光束，其中与分束镜（3）入射方向相垂直的激光光束入射到用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统（4）；从分束镜（3）透射后的激光光束入射到原子炉（5）后，再入射到用于验证光束指向控制精度的第二CCD成像系统（8）；
基于所述第一CCD成像系统（4）和第二CCD成像系统（8）采集的激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始光束中心坐标作为参考位置；将第一CCD成像系统（4）获取的所述初始光束中心坐标输出到计算机（6），然后测量后续光束中心坐标相对作为参考位置的初始光束中心坐标的变化，将坐标变化转换为电压信号，计算机（6）通过压电控制器（7）控制调整反射镜（2）的俯仰角和偏转角；
调节激光源反射镜（2）的俯仰角与偏转角，直到调节后的光束中心坐标与所述初始光束中心坐标的参考位置重合；其中：
所述第一CCD成像系统（4）采集激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始光束中心坐标(x,y)作为参考位置；将第一CCD成像系统（4）后续采集到的光束中心坐标与所述初始光束中心坐标(x,y)对比，由计算机（6）测算出坐标变化的距离误差信号和/>，由此得到水平方向偏转角的偏移量/>和竖直方向俯仰角的偏移量/>并储存在计算机（6）中，其中：
表示水平方向上反射镜（2）到分束镜（3）的距离，/>表示水平方向上分束镜（3）到第一CCD成像系统（4）的距离，/>表示水平方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；/>表示水平方向上分束镜（3）到第二CCD成像系统（8）的距离，/>表示水平方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
表示竖直方向上反射镜（2）到分束镜（3）的距离，/>表示竖直方向上分束镜（3）到第一CCD成像系统（4）的距离，/>表示竖直方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；/>表示竖直方向上分束镜（3）到第二CCD成像系统（8）的距离，/>表示竖直方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
所述计算机（6）通过压电控制器（7）控制调整反射镜（2）的俯仰角和偏转角，具体为：所述计算机（6）通过压电控制器（7）控制反射镜（2）中带压电调节器的光学调整架（2-2），分别对激光光束水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正，通过对激光光束水平方向的偏转角的偏移量和竖直方向的俯仰角的偏移量/>，确定光学调整架（2-2）的调节范围；对于水平方向的偏转角，产生/>的偏移量时，光学调整架（2-2）的偏转角调整/>；对于竖直方向的俯仰角，产生/>的偏移量时，光学调整架（2-2）的俯仰角调整/>；
所述计算机（6）将储存的水平方向上偏转角的偏移量和竖直方向上俯仰角的偏移量/>转换为电压量，输出给压电控制器（7），压电控制器（7）进行反馈控制反射镜（2）的光学调整架（2-2），进而控制光束指向；
第一CCD成像系统（4）的测量精度小于等于0.01，所述反射镜（2）到第一CCD成像系统（4）的光路长度为20cm，所述光束指向的误差角度小于等于50nrad。
2.一种原子束光钟光束指向控制装置，用于实现权利要求1所述方法，其特征在于，包括：激光源（1）、反射镜（2）、分束镜（3）、用于观测光束指向变化的第一CCD成像系统（4）、用于验证光束指向控制精度的第二CCD成像系统（8）、计算机（6）、压电控制器（7）和原子炉（5），其中：
所述激光源（1）输出的光束入射到反射镜（2）上；
所述反射镜（2）将激光源（1）输出的光束经过反射后，入射到分束镜（3）；
所述分束镜（3）输出互相垂直的两路光束，所述两路光束其中一束入射到所述第一CCD成像系统（4），所述两路光束另一束入射到所述第二CCD成像系统（8）；
所述第一CCD成像系统（4）、计算机（6）、压电控制器（7）和反射镜（2）依次电连接；
所述分束镜（3）、第二CCD成像系统（8）、原子炉（5）在同一水平方向上；
所述第一CCD成像系统（4）采集激光光强分布信息，根据CCD像素排列方式及单个感光元尺寸，获取初始光束中心坐标(x,y)作为参考位置；将第一CCD成像系统（4）后续采集到的光束中心坐标与所述初始光束中心坐标(x,y)对比，由计算机（6）测算出坐标变化的距离误差信号和/>，由此得到水平方向偏转角的偏移量/>和竖直方向俯仰角的偏移量/>并储存在计算机（6）中，其中：
表示水平方向上反射镜（2）到分束镜（3）的距离，/>表示水平方向上分束镜（3）到第一CCD成像系统（4）的距离，/>表示水平方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；/>表示水平方向上分束镜（3）到第二CCD成像系统（8）的距离，/>表示水平方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
表示竖直方向上反射镜（2）到分束镜（3）的距离，/>表示竖直方向上分束镜（3）到第一CCD成像系统（4）的距离，/>表示竖直方向上第一CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；/>表示竖直方向上分束镜（3）到第二CCD成像系统（8）的距离，/>表示竖直方向上第二CCD成像系统上采集到的偏转角的偏移量；
所述计算机（6）通过压电控制器（7）控制调整反射镜（2）的俯仰角和偏转角，具体为：所述计算机（6）通过压电控制器（7）控制反射镜（2）中带压电调节器的光学调整架（2-2），分别对激光光束水平方向和竖直方向的指向偏差进行修正，通过对激光光束水平方向的偏转角的偏移量和竖直方向的俯仰角的偏移量/>，确定光学调整架（2-2）的调节范围；对于水平方向的偏转角，产生/>的偏移量时，光学调整架（2-2）的偏转角调整/>；对于竖直方向的俯仰角，产生/>的偏移量时，光学调整架（2-2）的俯仰角调整/>；
所述计算机（6）将储存的水平方向上偏转角的偏移量和竖直方向上俯仰角的偏移量/>转换为电压量，输出给压电控制器（7），压电控制器（7）进行反馈控制反射镜（2）的光学调整架（2-2），进而控制光束指向；
第一CCD成像系统（4）的测量精度小于等于0.01，所述反射镜（2）到第一CCD成像系统（4）的光路长度为20cm，所述光束指向的误差角度小于等于50nrad。
3.如权利要求2所述的一种原子束光钟光束指向控制装置，其特征在于，所述反射镜（2）由光学镜片（2-1）和带压电调节器的光学调整架（2-2）组成，所述带压电调节器的光学调整架（2-2）输入端连接压电控制器（7）。
4.如权利要求2所述的一种原子束光钟光束指向控制装置，其特征在于，所述原子炉（5）设置在分束镜（3）、第二CCD成像系统（8）之间。
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