CN203455615U - 一种原子钟 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原子钟，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装包括激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器，其特征在于：所述转换光路包括四端口光纤耦合器、与光纤耦合器相连的四条光纤、自聚焦透镜和增反膜，所述激光器的输出端连接第一光纤，第二光纤连接自聚焦透镜，第三光纤连接光电探测器；所述增反膜位于碱性原子泡气室的出射侧，将出射光反射回碱性原子泡气室。本实用新型可以使得激光器和光电探测器远离碱性原子泡气室，减少温度和磁场对其的影响，提高原子钟的稳定度。

Description

一种原子钟

技术领域

本实用新型涉及一种原子钟，属于频率标准装置领域。 

背景技术

原子钟的发展历史最早可以追溯到第二次世界大战前后，其主要得益于当时量子力学和微波波谱学的快速发展。早期的微波钟使用的是非相干光源做抽运和探测光，其后随着激光器的发展，激光选态和检测方法被应用到原子钟研究中，得到了更好的效果。 

随着电子技术和控制技术的飞速发展，对于原子钟的研究主要集中在两个方面：一方面是探索研制准确度和稳定度更高的原子钟。近年来，已经成功研制出许多不同种类的具备更高准确度和稳定度的新型原子钟，例如冷原子喷泉钟、离子阱钟、光钟等；另一方面是积极寻找实现高精度的小型工程原子钟的途径，以满足各种工程技术发展需要，例如研制小型星载原子钟、利用相干布居囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁（CPT, Coherent Population Trapping）原子钟。 

相干布居囚禁是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象，利用激光良好的相干特性，在原子体系中制备相干布居囚禁态，可以实现的芯片式的新型CPT原子钟，这是当前原子钟领域和导航领域的前沿技术。其优势是：一方面，不需要微波腔，可以明显减小体积；另一方面，采用受微波频率调制的激光器制备相干双色光，可以减少光频移。尽管CPT原子钟从1998年提出至今时间并不久，但其发展迅速，已显示出优越的性能，而且还有较大的改进空间。 

现有技术中，CPT原子钟包括电子学系统和物理封装，其中，物理封装通常由激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器构成，激光器发出的激光由转换光路转换成平行光，经1/4波片形成圆极偏振光后进入碱性原子泡气室，最后被光电控测器接收。其中，转换光路通常为透镜组。 

评价原子钟的性能指标主要是艾伦方差。根据艾伦方差的定义，可知原子钟的性能主要取决于吸收谱线的对比度。 

 在实际中，一般的CPT桌面实验系统只追求调测的方面，并没有考虑体积和功耗的问题，而微型乃至芯片级CPT原子钟确实很注重体积和功耗的减少，但不方便调测。到目前为止所实现CPT原子钟指标都不是很高，主要表现在温漂现象比较严重，温控导致功率消耗较大，原子钟输出信号稳定度很低。其主要原因是，现有技术中将上述各部分封装在一起，由于碱性原子泡气室通常保持在70～90℃的工作温度下，激光器和光电探测器与碱性原子泡气室的距离较近，会受到其温度的影响， 

因此，需要通过结构的改进，减小温漂现象，从而减小原子钟的误差。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种原子钟，通过结构改进，减小温度对原子钟的影响。 

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种原子钟，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装包括激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器；所述转换光路包括四端口光纤耦合器、与光纤耦合器相连的四条光纤、自聚焦透镜和增反膜，所述激光器的输出端连接第一光纤，第二光纤连接自聚焦透镜，第三光纤连接光电探测器；所述增反膜位于碱性原子泡气室的出射侧，将出射光反射回碱性原子泡气室。 

上述技术方案中，所述激光器为以直接带隙半导体材料为光增益介质，通过pn结注入载流子实现粒子数反转，以法布里-珀罗腔或分布布拉格光栅为谐振腔，进行受激发射光的放大的二极管激光器。 

所述四端口光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器。 

所述自聚焦透镜是内部折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。 

所述增反膜的厚度等于四分之一激光波长。 

进一步的技术方案，设有第二光电探测器，所述第二光电探测器连接第四光纤。 

优选的技术方案是，所述碱性原子泡气室与所述激光器、光电探测器设置在不同的独立封装中。 

上述技术方案中，所述电子学系统包括锁相环路、电调衰减器、微控制系统和数模转换芯片，用以控制激光器的波长和频率。 

以碱性原子泡气室采用铯腔为例，本实用新型的工作原理解释如下：激光器发出激光，并且将锁相环路产生的4.596GHz微波信号调制到激光的左右边带上，激光照射在铯腔上；2×2光纤耦合器位于激光器和铯腔之间，与之相连接的有四根光纤。其中第二光纤与自聚焦透镜连接，在自聚焦透镜后放置一块四分之一波片，将激光束转变成圆偏振光照射入铯腔；铯腔后接增反膜，光路经过增反膜反射，再次进入光纤耦合器，并由第三光纤输出；在输出端口接光电探测器，光电探测器将光信号转换为电流信号，被微控制系统提取处理，微控制系统将进一步产生控制信号，直至整个原子钟系统处于锁定状态。 

进一步的技术方案中，在光纤耦合器的第四光纤端口接上第二光电探测器，用来探测激光器的入射光强。 

上述方案中，激光调制方式采用半带宽调制，即RF调制频率等于两个基态能级差的一半，左右第一个边带频率之差则刚好等于基态超精细能级分裂差，用这两个一阶边带泵浦激发而实现CPT谐振。这种调制方法被定义为半宽调制。 

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点： 

1、本实用新型通过设置四端口的光纤耦合器，同时设置增反膜，使激光器和光电探测器分别与光纤耦合器连接，可以使得激光器和光电探测器远离碱性原子泡气室，减少温度和磁场对其的影响。

2、由于采用光纤和光纤耦合器构成转换光路，可以减少光的损耗。 

3、增反膜的设置，一方面使光电探测器可以与激光器一起连接在光纤耦合器上，另一方面通过将出射光再次反射进入碱性原子泡气室，可以增加光程，使得光跟铯原子或铷原子的作用时间变长，提高原子钟的稳定度。 

4、第二光电探测器的设置，可以探测激光器的入射光强，以便及时观测激光的光强变化。 

附图说明

图1是实施例中原子钟整体系统框图。 

图2是实施例中锁相环路系统框图。 

图3是实施例中自聚焦透镜与光纤组成的激光准直器光路图。 

图4是原子钟物理封装中铯/铷腔原子能级跃迁图，其中(a)铷能级图，(b)铯能级图。 

图5是实施例中环路滤波器电路图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述： 

实施例1：

如图1所示，一种带自聚焦透镜的原子钟，主要包括激光器170，光纤耦合器120及与之相连接的四条光纤121、122、123、124，自聚焦透镜130，四分之一波片140，铯腔150，增反膜160，光电探测器110和第二光电探测器180，锁相环路200，电调衰减器300，微控制系统500，数模转换器400和600部分。其中激光器170，光纤耦合器120及与之相连接的四条光纤121、122、123、124，自聚焦透镜130，四分之一波片140，铯腔150，增反膜160，光电探测器110和第二光电探测器180构成本实用新型所述原子钟的物理封装100。

整个系统的工作原理：微控制系统500首先对锁相环路200进行初始化，使得锁相环路锁定到原子超精细能级跃迁的频率上（此处使用的是半带宽调制，锁相环路产生的频率为4.596GHz），铯原子的超精细能级差为9.2GHz，微控制系统500通过控制进入电调衰减器300的电流来控制进入物理封装100的微波功率，使得CPT谐振峰达到最大。判定谐振峰是否达到最大的最直接的方法是提取物理封装内部光电探测器反馈回来的电流信号，经过外围锁相放大电路后将误差信号反馈给微控制系统500，此时微控制系统500对锁相环路200进行编程调整，同时对激光器的电流进行调节，直到系统CPT谐振峰达到最大，使得整个系统锁定。 

 如图2所示，本实用新型所涉及到的锁相环路200，主要包括温补晶振210、频率合成器220、三阶环路滤波器230、压控振荡器240。主要工作方式如下：温补晶振210提供基准10MHz频率，已初始化的频率合成器220为小数分频倍频器，根据压控振荡器240反馈信号分频之后的频率与基准频率进行鉴频鉴相产生误差电流，再通过电荷泵输出误差信号至压控振荡器，直至锁相环路系统锁定到所需要的频率上（4.596GHz）。其中环路滤波器230尤其重要，它将影响射频输出的相位噪声，所以环路滤波器230的设计很重要的，具体电路设计如图5所示。 

如图3所示，本实用新型所涉及到的准直器主要包括光纤123、自聚焦透镜130。自聚焦透镜130的功能是得到所需要的平行光束，同时将从增反膜160反射回来的光重新聚合到光纤耦合器120中并从光纤122处输出到光电探测器110上。 

 如图4所示，在弱磁场的作用下，铯原子能级分裂成超精细能级，对于铯，此能级差为9.2GHz。本实用新型涉及的是半波调制，即外围射频环路产生的频率等于4.596GHz。经过调制，激光将产生两个边带，这两个边带的频率差正好为9.2GHz，此时铯原子将被囚禁在超精细能级上，将不再吸收光，此时照射到光电探测器的光强将出现峰值。对于铷元素，只是超精细能级的能级差不一样，铷的能级差为6.8GHz。 

Claims (7)

1.一种原子钟，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装包括激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器，其特征在于：所述转换光路包括四端口光纤耦合器、与光纤耦合器相连的四条光纤、自聚焦透镜和增反膜，所述激光器的输出端连接第一光纤，第二光纤连接自聚焦透镜，第三光纤连接光电探测器；所述增反膜位于碱性原子泡气室的出射侧，将出射光反射回碱性原子泡气室。

2.根据权利要求1所述的原子钟，其特征在于：所述激光器为以直接带隙半导体材料为光增益介质，通过pn结注入载流子实现粒子数反转，以法布里-珀罗腔或分布布拉格光栅为谐振腔，进行受激发射光的放大的二极管激光器。

3.根据权利要求1所述的原子钟，其特征在于：所述四端口光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的原子钟，其特征在于：所述自聚焦透镜是内部折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。

5.根据权利要求1所述的原子钟，其特征在于：所述增反膜的厚度等于四分之一激光波长。

6.根据权利要求1所述的原子钟，其特征在于：设有第二光电探测器，所述第二光电探测器连接第四光纤。

7.根据权利要求1或6所述的原子钟，其特征在于：所述碱性原子泡气室与所述激光器、光电探测器设置在不同的独立封装中。

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