CN115097711B - 一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统 - Google Patents

一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，函数信号发生器产生的相位调制信号，通过相位调制器对微波源输出的微波信号进行相位调制，得到的相位调制微波信号在铯原子拉比共振磁场传感器中产生拉比共振，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘、滤波，得到直流误差信号，处理单元根据直流误差信号峰值点处相位调制信号的频率、设定功率的相位调制信号参考频率进行比较并输出误差信号，幅度控制器根据误差信号对进行微波源输出微波信号幅度进行控制，使其稳定在设定值。本发明将微波信号的功率转换为频率进行控制，提升铯原子钟微波信号功率的稳定性，避免了由于微波信号功率不稳定造成的铯原子钟的指标恶化。

Description

一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统
技术领域
本发明属于微波功率稳定技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统。
背景技术
高频的微波信号已经广泛应用于空间探测、军事反潜、生物磁场测量和地质探测等技术领域。微波功率稳定性对于实际工程应用与基础研究非常重要。例如，军民用国家标准时间守时小型微波铯束原子钟(简称“小铯钟”)便是其中一个代表，因为小铯钟的长期稳定度与微波信号的功率稳定性有直接的关系。各国时频基准机构的研究表明，微波功率波动是导致长稳恶化的主因。因此微波功率的控制至关重要，实现功率波动小于0.005dB的目标具有显著的实际价值。目前稳定高频的微波功率的方法，主要可分为电子测量法和物理效应法两种。电子测量法主要采用电学元件对功率进行测量，利用伺服环路进行反馈控制。物理效应法主要采用原子/分子物理原理对功率进行测量，利用伺服环路进行反馈控制。由此可见，微波功率的基础是实现高精度的微波功率测量。
随着微波技术的发展，特别是微波毫米波技术的深入发展，毫米波电子进入超高频领域，这对高灵敏度微波测量技术，带来新的挑战与要求。实现高空间分辨率、高灵敏度的微波磁场表征的测量方法为高精度微波功率稳定指明了方向。
现有基于微波磁场精密测量技术的各种类型传感器也已广泛应用于各类工程领域。例如微波扫描探针经常被用于生物影像待测场检测。微波扫描也常被用于桥梁路基工程混凝土中的断裂无损检测。高频微波探头也是微波芯片局域诊断的常用工具。基于自旋电子学设计的传感器也被用来实现电磁场的近场测量，该技术利用自旋整流效应，将时变的微波信号转换为直流电信号。此外，通过塞贝克整流效应将磁隧道结中的温差直接转换成电压，可将动态的电磁信号直接转化成直流电信号，标定微波磁场，其探测灵敏度已经可达1mV/mW。综上现有实际微波磁场手段，考虑到现有探测传感器的精度、尺寸、破坏性以及高温或低温等恶劣条件，寻找一种切实可行且可突破传统测量精度极限的高分辨率微波磁场测量方法对于微波功率稳定来说具有重要的意义和实际工程价值。
微波功率测量与稳定主要有以下两种方式：
1、基于电磁效应的磁场测量与稳定技术
电磁效应是利用导体或半导体中的电流在磁场作用下产生的电磁效应，在磁生电，电生磁这个反复的过程中进行有效的测量。日常通用的电磁效应有霍尔效应跟磁阻效应。
霍尔效应是指当垂直于外磁场方向的电流通过导体时，在垂直磁场和电流方向的导体两个端面之间出现的电势差的现象。霍尔效应的本质是固体材料中的载流子在外磁场运动的时候，由于受到洛伦兹力的作用从而使轨迹发生偏移，同时在材料的两端产生电荷积累，形成与电流方向垂直的电场，在载流子受到的洛伦兹力和电场排斥力达到平衡状态时，就会在两侧建立起一个稳定的电势差。
磁阻效应是指能够带电的导体或半导体的电阻值随着外磁场的变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。当磁力与电场排斥力达到平衡状态时，载流子在两端就聚集从而产生电场，比电场速度慢的载流子就会向电场力方向偏移，在比电场速度快的载流子就会向着洛伦兹力方向偏移，这种偏移就睡的载流子的漂移路径增加，从而使得电阻增加。由于磁阻器件的灵敏性较强，这种方法在医学方面应用的比较多。在20世纪70年代研发的薄膜技术，磁阻效用这一方法取得了较大的发展，这种方法处理不仅能测量恒定磁场，还可以对不均匀，变化速度快的磁场进行测量。对磁场强的测量值可以换算为功率的测量值，再利用伺服控制技术，进而实现对电路激励功率的稳定。
2、基于热敏信号的微波功率测量与稳定技术
热敏电阻是一种具有负温度系数的电阻元件,当它的温度升高时,电阻值就变小,因此被广泛地用于微瓦和毫瓦级的功率测量中。用热敏电阻测量微波功率时,最常用的是惠斯登电路作为测量和指示装置,即把功率座中的热敏电阻作为电桥的一个臂,利用热敏电阻吸收微波功率后阻值的变化来测量微波功率。此外，热电偶是由两种不同的金属材料组成的,如果把热电偶的热结点置于微波电磁场中,使之直接吸收微波功率,热结点的温度便上升,并由热电偶检测出温度差,该温度差热电势便可作为微波功率的量度。通过热敏信号获得功率测量值进而再控制微波功率，可以实现微波信号功率的稳定。
以上所介绍的基于电磁效应的磁场测量与稳定技术，只适用于稳定的静磁场，或者是频率不高的交变信号磁场，对于极高频率的微波磁场测量则无能力为。基于热敏信号的微波功率测量与稳定技术存在精度受限、测量频率不高、以及和原子频率标准无法自校准的难题。
大量实验验证铯原子钟的长期稳定度恶化与在Ramsey腔内的9.192GHz微波信号的功率波动有直接关系，且微波信号功率波动还可通过一系列物理效应引起频移，导致铯原子钟的指标恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，以提升铯原子钟微波信号功率的稳定性，避免铯原子钟的指标恶化。
为实现上述发明目的，本发明基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，包括：
微波源，用于输出功率稳定的、铯原子钟所需的微波信号；
其特征在于，还包括：
函数信号发生器，用于产生相位调制信号并输出给相位调制器和处理单元，相位调制信号从直流到百kHz进行周期性扫描；
一相位调制器，根据函数信号发生器产生的相位调制信号，对微波源输出的微波信号进行相位调制，并输出相位调制微波信号给铯原子拉比共振磁场传感器以及倍频器；
一铯原子拉比共振磁场传感器，由微波腔、铯原子气室、激光源、二分之一玻片、偏振分光棱镜、光阑以及光探测器构成，其中，铯原子气室置于微波腔中；
首先激光源输出的852nm激光通过二分之一玻片、偏振分光棱镜以及光阑从上方端口进入微波腔中的铯原子气室，实现对铯原子的能级跃迁，然后相位调制器输出的相位调制微波信号，从微波腔的左方端口馈入穿过铯原子气室再从右端口输出，相位调制微波信号在微波腔中与铯原子气室中的铯原子达到产生拉比共振的条件，产生拉比共振，最后通过穿过铯原子气室的852nm激光变为探测光，光探测器对其进行探测，完成对相互作用信息的提取，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将共振频率信号的2次谐波信号输出给乘法器；
一倍频器，用于对相位调制信号进行倍频，并输出倍频相位调制信号给乘法器；
一乘法器，用于对2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘，并对乘积信号进行滤波，滤出高频部分获得直流误差信号，并输出给处理单元；
一处理单元，根据直流误差信号的峰值点，获取峰值点处函数信号发生器输出相位调制信号的频率，并与设定功率的相位调制信号参考频率进行比较，如果低于参考频率，说明微波源输出微波信号的功率降低了，则输出增大幅度的误差信号，如果高于参考频率，说明微波源输出微波信号的功率增加了，则输出减小幅度的误差信号；
一幅度控制器，根据处理单元输出的误差信号，输出幅度控制信号控制微波源输出微波信号的幅度即功率在设定值，即对微波信号功率波动水平进行主动伺服控制，实现高精度微波源功率稳定，避免了铯原子钟的指标恶化。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，包括函数信号发生器、相位调制器、构建的铯原子拉比共振磁场传感器、倍频器、乘法器、幅度控制器，函数信号发生器产生的相位调制信号，通过相位调制器对微波源输出的微波信号进行相位调制，得到的相位调制微波信号在铯原子拉比共振磁场传感器中产生拉比共振，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘、滤波，得到直流误差信号，处理单元根据直流误差信号峰值点处相位调制信号的频率、设定功率的相位调制信号参考频率进行比较并输出误差信号，幅度控制器根据误差信号对进行微波源输出微波信号幅度进行控制，使其稳定在设定值即对微波信号功率波动水平进行主动伺服控制，实现高精度微波源功率稳定，避免了由于微波信号功率不稳定造成的铯原子钟的指标恶化。
频率测量至今保持着所有物理量中最高的测量精度，本发明利用构建的铯原子拉比共振磁场传感器，将微波信号的功率转换为频率进行控制，从而提升铯原子钟微波信号功率的稳定性。
附图说明
图1是本发明基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统一种具体实施方式的原理框图；
图2是图1所示铯原子拉比共振磁场传感器的一种具体实施方式的结构示意图；
图3是不同功率微波信号下的拉比共振线形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
铯原子钟的长期稳定度恶化与在Ramsey腔内的微波(9.192GHz)功率波动有直接关系，且微波功率波动还可通过一系列物理效应引起频移，导致原子钟的指标恶化。为提升铯原子钟微波信号功率的稳定性，本发明提出了一种基于铯原子拉比共振的微波功率稳定系统，通过构建的铯原子拉比共振磁场传感器，利用拉比共振原理实现对馈入Ramsey腔的微波功率动态伺服控制。
图1是本发明基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统一种具体实施方式的原理框图。
在本实施例中，如图1所示，本发明基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统包括微波源1、函数信号发生器2、相位调制器3、铯原子拉比共振磁场传感器4、倍频器5、乘法器6、处理单元7、幅度控制器8。
微波源1输出功率稳定的、铯原子钟所需的微波信号，该微波信号输出到铯原子钟，其频率为9.192GHz，同时输出到相位调制器3。函数信号发生器2产生相位调制信号并输出给相位调制器3和处理单元7，相位调制信号从直流到百kHz进行周期性扫描。相位调制器3根据函数信号发生器2产生的相位调制信号，对微波源1输出的微波信号进行相位调制，并输出相位调制微波信号给铯原子拉比共振磁场传感器4以及倍频器5。
铯原子拉比共振磁场强度测量理论无论对热原子气室、抑或是冷原子，原子拉比共振现象的基本概念始终成立，即当铯原子系统与相位调制辐射微波场发生相互作用时，若辐射微波场相位变化速率与拉比频率满足共振条件，则系统呈现瞬态响应增强。通过密度矩阵法可解析求得稳态下拉比共振谱理论线形幅度函数，这时拉比共振响应主要体现在二次谐波共振，产生与相位调制频率二倍的共振频率信号。
该理论提供了一种有效测量拉比频率的方法，即原子束拉比共振幅度在调制频率ωm和Rabi频率ΩR满足ωm＝ΩR/n时出现共振增强，故根据共振峰位置处的输入ωm以及n值便可得到ΩR。本发明将利用强调制下的二次谐波共振进行微波磁场测量，此时n＝2。又基态原子与相位调制微波场之间为磁偶极相互作用，Rabi频率ΩR正比于微波磁场强度B：
Figure BDA0003659290130000061
式(1)中gJ为电子朗德因子，μB为玻尔磁子，<F′,m′F|J|F,mF>为跃迁矩阵元，
Figure BDA0003659290130000062
为普朗克常量，这四者都是已知物理常数，故微波磁场B便经由拉比频率ΩR实现了自校准可溯源测量。基于前述理论，本发明中构建一套铯原子拉比共振磁场传感器，用于实现9.192GHz微波信号的功率稳定。
在本发明中，如图2所示，构成的铯原子拉比共振磁场传感器4由微波腔401、铯原子气室402、激光源403、二分之一玻片404、偏振分光棱镜405、光阑406以及光探测器407，其中，铯原子气室402置于微波腔401中。
首先激光源403输出的852nm激光通过二分之一玻片404、偏振分光棱镜以及405光阑406从上方端口进入微波腔401中的铯原子气室402，实现对铯原子的能级跃迁，然后相位调制器3输出的相位调制微波信号，从微波腔401的左方端口馈入穿过铯原子气室402再从右端口输出，相位调制微波信号在微波腔401中与铯原子气室402中的铯原子达到产生拉比共振的条件，产生拉比共振，最后通过穿过铯原子气室402的852nm激光变为探测光，光探测器407对其进行探测，完成对相互作用信息的提取，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将共振频率信号的2次谐波信号输出给乘法器6。
共振频率信号的2次谐波幅度最大，可通过快速傅里叶谱分析仪(FFT)将在调制频率的2倍频谐波处测量得到共振信号幅度。分析调制频率从近直流到百kHz扫描的一个周期，可以获得共振信号幅度最大时的频率，该频率即为共振拉比频率ΩR。
图3为不同微波信号功率Pin下的实测拉比共振线形，每一条曲线都是通过对相位调制信号的频率进行扫描得到，对曲线最大值进行标定即可以获得拉比共振频率。利用公式(1)，可由拉比频率得到此时磁场的强度，因此，图3所示的铯原子拉比共振磁场传感器可以实现对微波磁场强度的测量。同时，从图3我们可以看出，微波信号功率越高，相位调制信号的频率ωm/2π也越高.
倍频器5用于对相位调制信号进行倍频，并输出倍频相位调制信号给乘法器6。乘法器6对2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘，并对乘积信号进行滤波，滤出高频部分获得直流误差信号，并输出给处理单元7。处理单元7根据直流误差信号的峰值点，获取峰值点处函数信号发生器输出相位调制信号的频率，并与设定功率的相位调制信号参考频率进行比较，如果低于参考频率，说明微波源1输出微波信号的功率降低了，则输出增大幅度的误差信号，使微波信号的功率增加，最终使相位调制信号的频率等于相位调制信号参考频率，如果高于参考频率，说明微波源输出微波信号的功率增加了，则输出减小幅度的误差信号，使微波信号的功率减小，最终使相位调制信号的频率等于相位调制信号参考频率。幅度控制器8根据处理单元7输出的误差信号，输出幅度控制信号控制微波源输出微波信号的幅度即功率在设定值，即对微波信号功率波动水平进行主动伺服控制，实现高精度微波源功率稳定。
本发明提出的基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统创新性地利用铯原子拉比共振理论实现微波功率的稳定，避免了铯原子钟的指标恶化。
此外，本发明针对的是铯原子钟所需微波信号的稳定，但其也可以用于其他情况下，所需微波信号的稳定。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，包括：
微波源，用于输出功率稳定的、铯原子钟所需的微波信号；
其特征在于，还包括：
函数信号发生器，用于产生相位调制信号并输出给相位调制器、倍频器和处理单元，相位调制信号从直流到百kHz进行周期性扫描；
一相位调制器，根据函数信号发生器产生的相位调制信号，对微波源输出的微波信号进行相位调制，并输出相位调制微波信号给铯原子拉比共振磁场传感器；
一铯原子拉比共振磁场传感器，由微波腔、铯原子气室、激光源、二分之一玻片、偏振分光棱镜、光阑以及光探测器构成，其中，铯原子气室置于微波腔中；
首先激光源输出的852nm激光通过二分之一玻片、偏振分光棱镜以及光阑从上方端口进入微波腔中的铯原子气室，实现对铯原子的能级跃迁，然后相位调制器输出的相位调制微波信号，从微波腔的左方端口馈入穿过铯原子气室再从右端口输出，相位调制微波信号在微波腔中与铯原子气室中的铯原子达到产生拉比共振的条件，产生拉比共振，最后穿过铯原子气室的852nm激光变为探测光，光探测器对其进行探测，完成对相互作用信息的提取，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将共振频率信号的2次谐波信号输出给乘法器；
一倍频器，用于对相位调制信号进行倍频，并输出倍频相位调制信号给乘法器；
一乘法器，用于对2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘，并对乘积信号进行滤波，滤出高频部分获得直流误差信号，并输出给处理单元；
一处理单元，根据直流误差信号的峰值点，获取峰值点处函数信号发生器输出相位调制信号的频率，并与设定功率的相位调制信号参考频率进行比较，如果低于参考频率，说明微波源输出微波信号的功率降低了，则输出增大幅度的误差信号，如果高于参考频率，说明微波源输出微波信号的功率增加了，则输出减小幅度的误差信号；
一幅度控制器，根据处理单元输出的误差信号，输出幅度控制信号控制微波源输出微波信号的幅度即功率在设定值，即对微波信号功率波动水平进行主动伺服控制。
2.根据权利要求1所述的基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，其特征在于，所述微波信号的频率为9.192GHz。
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