CN203084080U - 原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置，属于原子谱线检测领域。装置包括：装有被测原子的谐振腔、扫频源、探测模块、频率信号发生器、微商处理模块、同步鉴相模块和补偿检测模块。本实用新型通过对拟合出的原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图，并根据同步鉴相产生的电压以及微商处理图判断探测信号是否锁定原子谱线中心频率，若未锁定，根据微商处理图中两最值点的电压和斜率，对同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号；这样做使得即使原子谱线产生了畸变，依然能准确的检测出原子谱线的中心频率。

Description

原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置

技术领域

本实用新型涉及原子谱线检测领域，特别涉及一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置。

背景技术

为获得大自然中比较稳定的时间频率，人们通过对铷、铯、氢等原子施加弱磁场，使其原子能级由基态转变为激发态，利用不受外界磁场干扰的基态超精细结构0-0跃迁中心频率作为参照时间频率值。

在现有原子跃迁中心频率检测技术中，比较先进的是利用原子频标伺服电路中的调制探测技术。即对探测信号进行调制，将调制后的信号作用于装在谐振腔中的原子，用得到的吸收信号与同频的参考信号进行同步鉴相，获得纠偏信号反馈给系统，从而改变探测系统输出频率值，最终使其锁定于原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率值上。参见图1，在理想状态下，将探测信号f进行调制变成f1、f2两个边带，利用同步鉴相原理，当f1、f2恰好处于原子谱线中心频率fo左右两侧时，将会得到相等的两个鉴频信号V1、V2，此时说明探测信号对准了原子跃迁中心频率。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

由于对谐振腔中原子所加静磁场不均匀，谐振腔中各个部位的原子的共振频率会有差别，而实际的原子谱线是各部分原子谱线的叠加，原子谱线形状反映了谐振腔中磁场分布的情况，在这种情况下，原子谱线由于施加磁场的不均匀、不对称，就会导致实际的原子谱线出现畸变，如图2右半部分所示（图2左半部分是为理想状态下原子谱线的叠加）。从图3中可以看出，在原子谱线畸变的情况下，当f1和f2处于fo的两侧时，检测到的两个电压V1和V2是不相等的，也就是说，在现有技术中，认为对准原子跃迁中心频率fo时，即V1=V2时，实际上并没有真实地反映中心频率值。因此，现有技术无法准确的检测原子跃迁中心频率。

实用新型内容

为了解决现有技术无法准确的检测原子跃迁中心频率的问题，本实用新型实施例提供了一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置。所述技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置，所述装置包括：

装有被测原子的谐振腔；

扫频源；

频率信号发生器；

用于对所述扫频源的输出信号进行处理，得到未经调制的探测信号，并将未经调制的探测信号作用于所述谐振腔，产生第一鉴频信号，或者在所述频率信号发生器的输出信号的调制下，得到调制后的探测信号，并将所述调制后的探测信号作用于所述谐振腔，产生第二鉴频信号的探测模块；

用于采集所述第一鉴频信号的电压以及与所述电压一一对应的探测信号频率值，拟合出原子谱线图，并对所述原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图的微商处理模块；

用于对所述第二鉴频信号与参考信号进行同步鉴相的同步鉴相模块；

用于根据所述同步鉴相产生的电压以及所述微商处理图判断所述探测信号是否锁定被测原子的跃迁中心频率；并且当所述探测信号未锁定被测原子的跃迁中心频率时，根据所述微商处理图中两最值点的电压和斜率，对所述同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号的补偿检测模块；

所述补偿检测模块分别与所述微商处理模块和所述扫频源电连接，所述探测模块分别与所述谐振腔和所述扫频源电连接，所述同步鉴相模块分别与所述谐振腔、所述频率信号发生器和所述微商处理模块电连接。

优选地，所述扫频源为压控晶振。

优选地，所述微商处理模块为可编程逻辑控制器。

进一步地，所述装置还包括：

选放模块，所述选放模块设于所述谐振腔和所述同步鉴相模块之间。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过对拟合出的原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图，并根据同步鉴相产生的电压以及微商处理图判断探测信号是否锁定原子谱线中心频率，若未锁定，根据微商处理图中两最值点的电压和斜率，对同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号；这样做使得即使原子谱线产生了畸变，依然能准确的检测出原子谱线的中心频率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是理想情况下的原子谱线图；

图2是理想状况和畸变状况下的原子谱线叠加情况对比示意图；

图3是畸变状况下的原子谱线图；

图4是本实用新型实施例提供的原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的原子谱线f-V关系示意图；

图6是本实用新型实施例提供的微商处理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例

本实用新型实施例提供了一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置，参见图4，该装置包括：

一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置，该述装置包括：

装有被测原子的谐振腔1；

扫频源3；

频率信号发生器4；

用于对扫频源3的输出信号进行处理，得到未经调制的探测信号，并将未经调制的探测信号作用于谐振腔1，产生第一鉴频信号，或者在频率信号发生器4的输出信号的调制下，得到调制后的探测信号，并将调制后的探测信号作用于谐振腔1，产生第二鉴频信号的探测模块2；

用于采集第一鉴频信号的电压以及与电压一一对应的探测信号频率值，拟合出原子谱线图，并对原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图的微商处理模块6；

用于对第二鉴频信号与参考信号进行同步鉴相的同步鉴相模块5；

用于根据同步鉴相产生的电压以及微商处理图判断探测信号是否锁定被测原子的跃迁中心频率；并且当探测信号未锁定被测原子的跃迁中心频率时，根据微商处理图中两最值点的电压和斜率，对同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号的补偿检测模块7；

补偿检测模块7分别与微商处理模块6和扫频源3电连接，探测模块2分别与谐振腔1和扫频源3电连接，同步鉴相模块5分别与谐振腔1、频率信号发生器4和微商处理模块6电连接。

优选地，扫频源3为压控晶振。

优选地，微商处理模块6为可编程逻辑控制器。

进一步地，该装置还包括：

选放模块8，选放模块8设于谐振腔1和同步鉴相模块5之间。

进一步地，补偿检测模块7根据判断N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)的值是否为0，判断探测信号是否锁定被测原子跃迁中心频率，

其中，V3、V4为同步鉴相产生的电压，K5、K6为微商处理图中两最值点与fa连线的斜率，fa为微商处理图中横坐标为两最值点横坐标平均值的点，V5、V6为微商处理图中两最值点的纵坐标，N1、N2、N3为正整数。

进一步地，补偿检测模块7在当探测信号未锁定被测原子跃迁中心频率时，根据公式：

N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)产生量子纠偏信号。

容易知道，当探测信号锁定被测原子跃迁中心频率时，输出此时的探测信号。

下面对本实用新型实施例提供的装置的工作原理进行详细说明：

第一步：将未经调制的探测信号作用于装有被测原子的谐振腔，产生第一鉴频信号；探测信号由扫频源得到。

第二步：采集第一鉴频信号的电压以及与电压一一对应的探测信号频率值，拟合出原子谱线图；

图5中f-V的变化被一一对应记录在微商处理模块中。原子谱线图中，f的变化是量子纠偏作用后的压控晶振的输出的探测信号频率。而V的值是通过采集第一鉴频信号的电压获得。图5中A3、A4为两斜率最值点。

第三步：对原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图。

容易知道，在获得微商处理图后，将得到的微商处理图保存起来，方便后面调用。也即微商处理图只需获得一次。

其中，微商幂次越高，检测精度越高。

参见图6，微商处理后得到两最值点A5（f5，V5）和A6（f6，V6），从fa到A5、A6点斜率分别为K5和K6。fa为微商处理图中横坐标为两最值点横坐标平均值的点。A5、A6分别对应图5中的A3、A4。

第四步：将调制后的探测信号作用于装有被测原子的谐振腔，产生第二鉴频信号；

具体地，该步骤包括：

一：对探测信号进行调制。容易知道，在调制前对压控晶振输出的信号通过倍、混频生成探测信号。

二：将调制后的探测信号作用于谐振腔。

被测原子吸收上述调制后的探测信号产生第二鉴频信号。

第五步：对第二鉴频信号与参考信号进行同步鉴相。

具体地，该步骤包括：

一：对第二鉴频信号进行选频放大获得与参考信号同频的检测信号；

二：将选频放大后的检测信号与参考信号进行同步鉴相。

值得说明的是，同步鉴相在第一鉴频信号产生时不工作。

第六步：根据同步鉴相产生的电压以及微商处理图判断探测信号是否锁定被测原子的跃迁中心频率；

若未锁定，根据微商处理图中两最值点的电压和斜率，对同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号。当锁定时，输出此时的探测信号。

具体地，根据微商处理图判断探测信号是否锁定被测原子跃迁中心频率，包括：判断N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)的值是否为0，其中，V3、V4为同步鉴相产生的电压，K5、K6为微商处理图中两最值点与fa连线的斜率，fa为微商处理图中横坐标为两最值点横坐标平均值的点，V5、V6为微商处理图中两最值点的纵坐标，N1、N2、N3为正整数。其中，N2的值为V5和V6平均值的1/100。N1的值为K5绝对值和K6绝对值平均值的1/10。N3根据实际设备参数获得，范围在1~30。

其中，N3(V4-V3)为同步鉴相后的纠偏电压。

当N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)的值为0时，表明探测信号锁定被测原子跃迁中心频率；可以直接输出探测信号作为原子跃迁频率。

当N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)的值不为0时，

表明探测信号未锁定被测原子跃迁中心频率；此时，产生的量子纠偏信号为N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)。

具体地，当K5≠K6，说明原子谱线在中心频率处附近（小范围）出现不对称，这里的小范围通常是几个Hz到几十个Hz，如果实施中调制信号fm采用方波调制，且调制深度低于几个Hz到几十个Hz的话，那么补偿检测模块将给出一个补偿参数C1=N1(|K5|-|K6|)，其中N1为一个正系数，大小由实际的系统确定。然后再参照图5中的V3、V4，此时判断是否锁定在被测原子跃迁中心频率上的依据为：V3+C1=V4。很明显当原子谱线实际的图形如畸形图所示的时候，探测信号频率对准中心频率时，V3＞V4，而此时获得的|K5|<|K6|，通过C1=N1(|K5|-|K6|)将获得一个负值C1使V3+C1=V4，即检测系统认为对准了中心频率。

当V5、V6绝对值大小不相等，说明原子谱线在中心频率处两侧（大范围）出现不对称，这里的大范围通常是几百Hz到KHz，那么补偿检测模块将给出一个补偿参数C2=N2(|V5|-|V6|)，其中N2为一个正系数，大小由实际的系统确定。然后再参照图5中的V3、V4，此时判断是否锁定在被测原子跃迁中心频率上的依据为：V3+C2=V4。很明显当原子谱线实际的图形如畸形图所示的时候，探测信号频率对准中心频率时，V3＞V4，而此时获得的|V5|<|V6|，通过C2=N2(|V5|-|V6|)将获得一个负值C2使V3+C2=V4，即检测系统认为对准了中心频率。

在具体的实施中，通常会结合上述两个条件的补偿来给出检测系统信号的频率是否对准被测原子跃迁中心频率的判断依据：V3+C1+C2=V4。

因此，产生的量子纠偏信号大小为

N3(V4-V3)-C1-C2，即N3(V4-V3)-N1(|K5|-|K6|)-N2(|V5|-|V6|)。

容易知道，产生的量子纠偏信号作用于扫频源，使扫频源输出的探测信号的频率发生变化。第二步中f的值可以根据量子纠偏信号得到，具体地，微商处理模块中记录扫频源的输入电压和输出频率的对应关系，在产生一个量子纠偏信号时，记录此时对应的输出频率；同时，微商处理模块获取对应的同步鉴相产生的电压，拟合原子谱线。

本实用新型实施例通过对拟合出的原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图，并根据同步鉴相产生的电压以及微商处理图判断探测信号是否锁定原子谱线中心频率，若未锁定，根据微商处理图中两最值点的电压和斜率，对同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号；这样做使得即使原子谱线产生了畸变，依然能准确的检测出原子谱线的中心频率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种原子基态超精细0-0跃迁中心频率检测装置，所述装置包括：

装有被测原子的谐振腔（1）；

扫频源（3）；

其特征在于，所述装置还包括：

频率信号发生器（4）；

用于对所述扫频源（3）的输出信号进行处理，得到未经调制的探测信号，并将未经调制的探测信号作用于所述谐振腔（1），产生第一鉴频信号，或者在所述频率信号发生器（4）的输出信号的调制下，得到调制后的探测信号，并将所述调制后的探测信号作用于所述谐振腔（1），产生第二鉴频信号的探测模块（2）；

用于采集所述第一鉴频信号的电压以及与所述电压一一对应的探测信号频率值，拟合出原子谱线图，并对所述原子谱线图进行奇数次微商处理得到微商处理图的微商处理模块（6）；

用于对所述第二鉴频信号与参考信号进行同步鉴相的同步鉴相模块（5）；

用于根据所述同步鉴相产生的电压以及所述微商处理图判断所述探测信号是否锁定被测原子的跃迁中心频率；并且当所述探测信号未锁定被测原子的跃迁中心频率时，根据所述微商处理图中两最值点的电压和斜率，对所述同步鉴相产生的电压进行补偿，产生量子纠偏信号的补偿检测模块（7）；

所述补偿检测模块（7）分别与所述微商处理模块（6）和所述扫频源（3）电连接，所述探测模块（2）分别与所述谐振腔（1）和所述扫频源（3）电连接，所述同步鉴相模块（5）分别与所述谐振腔（1）、所述频率信号发生器（4）和所述微商处理模块（6）电连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫频源（3）为压控晶振。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微商处理模块（6）为可编程逻辑控制器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

选放模块（8），所述选放模块（8）设于所述谐振腔（1）和所述同步鉴相模块（5）之间。

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