CN204721335U - 一种cpt原子频标 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种CPT原子频标，属于原子频标技术领域。所述CPT原子频标包括：物理系统、伺服环路、以及压控晶体振荡器，物理系统包括：激光产生单元、光学元件、吸收泡、第一光电检测单元、以及激光功率控制单元，该激光功率控制单元包括设置在激光产生单元和吸收泡之间的第一分光片、正对第一分光片的反射光路设置的第二光电检测单元。本实用新型通过添加由第一分光片和第二光电检测单元构成的激光功率控制单元，能够将激光产生单元产生的激光的功率控制在一定范围内，提高激光产生单元产生的激光的功率的稳定性，进而减小对CPT原子频标的工作稳定性的影响。

Description

一种CPT原子频标

技术领域

本实用新型涉及原子频标技术领域，特别涉及一种CPT原子频标。

背景技术

相干布局囚禁(Coherent Population Trapping，简称“CPT”)原子频标采用双色相干激光激励吸收泡中的碱金属蒸汽，当双色相干激光的频率差值与碱金属基态两个超精细能级频率差时，原子被制备成CPT态而对光的吸收减弱，将呈现电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency，简称“EIT”)现象，将此时产生的窄线宽电磁感应透明谱线作为鉴频信号去锁定压控晶体振荡器(Voltage Controlled X′tal Oszillator，简称“VCXO”)。

现有的CPT原子频标主要由电子线路和物理单元两个部分构成，电子线路包括伺服环路和VCXO。电子线路的作用是产生作用于激光器的携带有调制信息的微波探寻信号，电子线路还对物理单元输出的携带鉴频信息的光检信号进行同步鉴相产生同步鉴相信号作用在VCXO上。物理单元的作用是在微波探寻信号的作用下产生具有鉴频特效的光检信号。

在实际应用中，由于CPT原子频标的物理系统中产生激光的功率稳定性不足，会对CPT原子频标的工作的稳定性产生影响。

发明内容

为了解决现有技术的CPT原子频标的物理系统中产生激光的功率稳定性不足的问题，本实用新型实施例提供了一种CPT原子频标。所述技术方案如下：

一方面，本实用新型实施例提供了一种CPT原子频标，所述CPT原子频标包括：物理系统、伺服环路、以及压控晶体振荡器VCXO，所述VCXO与所述伺服环路电连接，

所述物理系统包括：激光产生单元、光学元件、吸收泡、以及第一光电检测单元，所述光学元件、所述吸收泡、以及所述第一光电检测单元沿所述激光 产生单元的激光的发射方向依次设置，所述激光产生单元和所述第一光电检测单元均与所述伺服环路电连接，

所述物理系统还包括：激光功率控制单元，所述激光功率控制单元包括：设置在所述激光产生单元和所述吸收泡之间的第一分光片、正对所述第一分光片的反射光路设置的第二光电检测单元，所述第二光电检测单元与所述伺服环路电连接。

具体地，所述激光产生单元包括：激光器、恒流源、以及激光驱动器，所述激光驱动器分别与所述激光器、所述恒流源、以及伺服环路电连接。

进一步地，所述激光产生单元还包括：自稳频，所述自稳频与所述激光器电连接。

具体地，所述CPT原子频标还包括：闭环时间检测单元，所述闭环时间检测单元包括：与运算单元、振荡单元、振荡频率检测单元、光隔离器、以及第三光电检测单元，振荡单元由奇数个非门串联构成且所述非门至少为1个，所述光隔离器设置在所述第一分光片和所述吸收泡之间，

所述与运算单元分别与所述伺服环路和所述第三光电检测单元电连接，所述振荡单元分别与所述与运算单元、所述光隔离器、以及所述振荡频率检测单元电连接，所述振荡频率检测单元还与所述伺服环路电连接，

所述物理系统还包括：第二分光片，所述第二分光片设置在所述光隔离器和所述吸收泡之间，所述第三光电检测单元正对所述第二分光片的反射光路设置。

进一步地，所述光隔离器为高速快门。

具体地，所述伺服环路包括：隔离放大器、倍频器、直接数字式频率合成器DDS、微波产生单元、功率放大器、以及处理单元，所述隔离放大器分别与所述VCXO、所述倍频器、以及所述DDS电连接，所述微波产生单元分别与所述倍频器、所述DDS、以及所述功率放大器电连接，所述功率放大器与所述激光产生单元电连接，所述处理单元分别与所述VCXO、所述隔离放大器、所述DDS、所述功率放大器、以及所述第一光电检测单元电连接。

进一步地，所述DDS为AD9854。

进一步地，所述物理系统还包括：为所述吸收泡提供恒温工作环境以及原子裂化用的磁场的控制单元。

进一步地，所述光学元件为光栅。

进一步地，所述吸收泡为铷⁸⁷Rb原子吸收泡。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在现有的物理系统中添加激光功率控制单元，可以实现物理系统中的激光产生单元产生稳定功率的激光。具体地，激光功率控制单元包括：设置在物理系统中的激光产生单元和吸收泡之间的第一分光片、正对第一分光片的反射光路设置的第二光电检测单元，第二光电检测单元可以实时检测到激光产生单元产生的激光的光强信号。与第二光电检测单元电连接的伺服环路，可以计算并存储一段时间内第二光电检测单元所检测到的激光的平均光强信号I1，然后，伺服环路再实时获取第二光电检测单元检测到的光强信号I2，并对比I2与I1。当I2大于I1时，伺服环路减小输入激光产生单元的信号功率，以减小激光产生单元产生的激光功率；当I2小于I1时，伺服环路增大输入激光产生单元的信号功率，以增大激光产生单元产生的激光功率，进而使得激光产生单元所产生的激光的功率处于动态平衡状态。这样，激光产生单元产生的激光功率的稳定性增强，进而减小对CPT原子频标工作的稳定性的影响。

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是本实用新型实施例一提供的一种CPT原子频标的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的一种CPT原子频标的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的一种激光产生单元的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一提供的一种闭环时间检测单元的结构示意图；

图5是本实用新型实施例一提供的一种CPT原子频标的结构示意图；

图6是本实用新型实施例一提供的一种振荡单元输出端输出工作原理示意图；

图7是本实用新型实施例一提供的一种伺服环路的结构示意图；

图8是本实用新型实施例一提供的一种CPT原子频标的结构示意图。

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。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种CPT原子频标，参见图1，该CPT原子频标包括：物理系统1、伺服环路2、以及VCXO3，VCXO3与伺服环路2电连接。

参见图2，该物理系统1包括：激光产生单元11、光学元件12、吸收泡13、以及第一光电检测单元14，光学元件12、吸收泡13、以及第一光电检测单元14沿激光产生单元11的激光的发射方向(在附图中粗虚线标示的即为激光发射方向)依次设置，激光产生单元11和第一光电检测单元14均与伺服环路2电连接。

该物理系统1还包括：激光功率控制单元15，该激光功率控制单元15包括：设置在激光产生单元11和吸收泡13之间的第一分光片151、正对第一分光片151的反射光路设置的第二光电检测单元152，第二光电检测单元152与伺服环路2电连接。

在本实施例中，激光产生单元11用于产生CPT原子频标所需的激光，光学元件12用于将激光产生单元11产生的激光形成双色相干激光。VCXO3可以提供标准频率信号的输出。

在本实施例中，激光功率控制单元15用于控制激光产生单元11所产生的激光的功率，具体地，在CPT原子频标稳定工作后，伺服环路2计算并存储一段时间内第二光电检测单元152所检测到的激光的平均光强信号I1，然后，伺服环路2再实时获取第二光电检测单元152检测到的光强信号I2，并对比I2与I1，当I2大于I1时，伺服环路2减小输入激光产生单元11的信号功率，以减小激光产生单元11产生的激光功率；当I2小于I1时，伺服环路2增大输入激光产生单元11的信号功率，以增大激光产生单元11产生的激光功率，进而使得激光产生单元11所产生的激光的功率处于动态平衡状态，稳定性增强。

进一步地，进一步地，光学元件12可以为光栅，以使透过光学元件12激光形成一对相干激光。

进一步地，物理系统1还包括：为吸收泡13提供恒温工作环境以及原子裂 化用的磁场的控制单元16，以提高吸收泡13工作的精确度和稳定性。

具体地，参见图3，激光产生单元11包括：激光器111、恒流源112、以及激光驱动器113，激光驱动器113分别与激光器111、恒流源112、以及伺服环路2电连接。

在本实施例中，恒流源112提供稳定的电流。激光驱动器113用于接收伺服环路2产生的微波探询信号，并对恒流源112提供的电流进行调制后，驱动激光器111发射激光。

进一步地，激光产生单元11还包括：自稳频114，该自稳频114与激光器111电连接。

在本实施例中，由于激光器111工作的稳定性不高，在添加自稳频114后，可以提高激光器111输出激光频率的稳定性。自稳频114可以采用现有技术制备，这里不作详细说明。

具体地，参见图4，CPT原子频标还包括：闭环时间检测单元4，该闭环时间检测单元4包括：与运算单元41、振荡单元42、振荡频率检测单元43、光隔离器44、以及第三光电检测单元45，振荡单元42由奇数个非门串联构成且非门至少为1个，光隔离器44设置在第一分光片151和吸收泡13之间。

参见图5，与运算单元41分别与伺服环路2和第三光电检测单元45电连接，振荡单元42分别与与运算单元41、光隔离器44、以及振荡频率检测单元43电连接，振荡频率检测单元43还与伺服环路2电连接。

物理系统1还包括：第二分光片46，该第二分光片46设置在光隔离器44和吸收泡13之间，第三光电检测单元45正对第二分光片46的反射光路设置。

在本实施例中，振荡频率检测单元43用于检测振荡单元42输出端输出信号的频率。

在本实施例中，振荡单元42由奇数个非门串联构成，会产生自激振荡。设非门的个数为N(大于0的奇数)，每个非门电路的平均传输时延迟间为t，则振荡单元42的振荡周期为T0。参见图6，假定输入振荡单元42的信号初态为‘1’，即为图6中的A1(1)，则经过1个传输延迟t后变为‘0’，再经过1个传输延迟t变为‘1’，经过奇数N个传输延迟Nt后，初态‘1’变为‘0’，即为图6中的AN(0)。因此，可以得到：T0＝2Nt。

在振荡单元42串入CPT原子频标中后，当物理系统1中的光隔离器44是 ‘开’状态时，激光器111激励的光通过光隔离器44后直接进入吸收泡13中，完成量子鉴频，产生光检信号。光检信号经伺服环路2处理后，一方面用于同步鉴相；另一方面通过与运算单元41，送入振荡单元42中。因为光隔离器44是‘开’状态，激光器111激励光能够透过吸收泡13，故此时刻经伺服环路2产生送入与运算单元41中的信号为高电平‘1’，而且第三光电检测单元45也能接收到激光，第三光电检测单元45也向运算单元41中送入高电平‘1’，与运算单元41收到两个高电平后，向振荡单元42送入高电平‘1’。而振荡单元42由奇数个非门构成，因此送入振荡单元42中的信号经过奇数个非门后变成低电平‘0’，输出信号再次作用于物理系统1中的光隔离器44，使其为‘关’状态。

当光隔离器44为‘关’状态时，吸收泡13和第三光电检测单元45均不能接收到激光，故此时刻经伺服环路2产生送入与运算单元41中的信号为低电平“0”，第三光电检测单元45送入与运算单元41中的信号也为低电平“0”，与运算单元41收到两个低电平后，向振荡单元42送入低电平‘0’。低电平‘0’经过向振荡单元42变为高电平“1”，作用在光隔离器44，使其为‘开’状态。

依次循环，在向振荡单元42的输出端会出现‘1’、‘0’、‘1’…、‘0’的变化，通过向振荡单元42的输出端的振荡频率检测单元43进行频率信号检测，即可得出原子频标的振荡周期T1。而根据上述公式T0＝2Nt相同的道理，可以推导出该原子频标的振荡周期T1可以表示为：T1＝2(Nt+Δt)，其中Δt为CPT原子频标的闭环时间。

故通过公式T0＝2Nt和T1＝2(Nt+Δt)，可推导得出：Δt＝(T1-T0)/2。

进一步地，光隔离器44可以为高速快门，以增加光隔离器44的反应速度。

具体地，参见图7和图8，伺服环路2包括：隔离放大器21、倍频器22、直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，简称“DDS”)23、微波产生单元24、功率放大器25、以及处理单元26，隔离放大器21分别与VCXO3、倍频器22、以及DDS23电连接，微波产生单元24分别与倍频器22、DDS23、以及功率放大器25电连接，功率放大器25与激光产生单元11电连接，处理单元26分别与VCXO3、隔离放大器21、DDS23、功率放大器25、以及第一光电检测单元14电连接。

在本实施例中，隔离放大器21可以实现VCXO3的输入信号和各路输出信 号的隔离分配，其中，各路输出信号包括向外部提供标准时钟信号；微波产生单元24将倍频器22输入的信号进行多次(例如：7次)倍频率处理后，与DDS23输入的信号进行混频，得到微波探询信号；处理单元26调整整个CPT原子频标的时序控制工作，包括接收到第一光电检测单元14输出的光检信号后，控制VCXO3和DDS23的输出频率。

在本实施例中，倍频器22可以提供6次倍频率处理。

进一步地，DDS23可以为AD9854。

进一步地，吸收泡13可以为铷⁸⁷Rb原子吸收泡。

在本实施例中，铷(⁸⁷Rb)原子0－0跃迁频率为6.834××××GHz，吸收泡13可以为CPT原子频标提供一个大小为6.834××××GHz的基准频率。根据CPT原子频标的工作原理，当物理系统1中产生的两束相干激光光束的频率差值与铷(⁸⁷Rb)原子0－0跃迁频率相等，且满足共振条件时，将呈现电磁诱导透明现象，透射出的电磁诱导透明信号经过处理后可以作为纠偏信号，用于控制VCXO3的输出信号的频率，以将VCXO3的输出信号的频率与基准频率相锁定。

下面简要介绍一下该CPT原子频标稳定物理系统1中产生的激光的频率过程。

首先，激光驱动器113驱动激光器111产生激光光束，该激光光束通过光学元件12产生一对相干激光光束，该相干激光光束通过第一分光片151后，一部分反射到第二光电检测单元152中，第二光电检测单元152检测接收到的激光的光强信号并传输至伺服环路2中的处理单元26。

然后，当CPT原子频标开机并工作稳定后，处理单元26储存一段时间(例如：10分钟)内第二光电检测单元152检测的激光光强信号，并计算其平均值I1。

最后，处理单元26将第二光电检测单元152实时获取的激光光强信号I2与I1进行对比。当I2大于I1时，处理单元26减小功率放大器25的功率放大倍数，以减小输入激光驱动器113中的信号功率，进而减小激光器111产生的激光的功率；当I2小于I1时，处理单元26增大功率放大器25的功率放大倍数，以增大输入激光驱动器113中的信号功率，进而增大激光器111产生的激光的功率。这样激光器111所产生的激光的功率处于动态平衡状态，稳定性增强。

此外，在由闭环时间检测单元4测出该CPT原子频标的闭环时间后，处理单元26计算出CPT原子频标的闭环频率W，并可以以2W的频率对第二光电检测单元152实时获取的激光光强信号I2进行比较。

本实用新型实施例通过在现有的物理系统中添加激光功率控制单元，可以实现物理系统中的激光产生单元产生稳定功率的激光。具体地，激光功率控制单元包括：设置在物理系统中的激光产生单元和吸收泡之间的第一分光片、正对第一分光片的反射光路设置的第二光电检测单元，第二光电检测单元可以实时检测到激光产生单元产生的激光的光强信号。与第二光电检测单元电连接的伺服环路，可以计算并存储一段时间内第二光电检测单元所检测到的激光的平均光强信号I1，然后，伺服环路再实时获取第二光电检测单元检测到的光强信号I2，并对比I2与I1。当I2大于I1时，伺服环路减小输入激光产生单元的信号功率，以减小激光产生单元产生的激光功率；当I2小于I1时，伺服环路增大输入激光产生单元的信号功率，以增大激光产生单元产生的激光功率，进而使得激光产生单元所产生的激光的功率处于动态平衡状态。这样，激光产生单元产生的激光功率的稳定性增强，进而减小对CPT原子频标工作的稳定性的影响。

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 (10)

1.一种相干布局囚禁CPT原子频标，所述CPT原子频标包括：物理系统（1）、伺服环路（2）、以及压控晶体振荡器VCXO（3），所述VCXO（3）与所述伺服环路（2）电连接，

所述物理系统（1）包括：激光产生单元（11）、光学元件（12）、吸收泡（13）、以及第一光电检测单元（14），所述光学元件（12）、所述吸收泡（13）、以及所述第一光电检测单元（14）沿所述激光产生单元（11）的激光的发射方向依次设置，所述激光产生单元（11）和所述第一光电检测单元（14）均与所述伺服环路（2）电连接，

其特征在于，所述物理系统（1）还包括：激光功率控制单元（15），所述激光功率控制单元（15）包括：设置在所述激光产生单元（11）和所述吸收泡（13）之间的第一分光片（151）、正对所述第一分光片（151）的反射光路设置的第二光电检测单元（152），所述第二光电检测单元（152）与所述伺服环路（2）电连接。

2.根据权利要求1所述的CPT原子频标，其特征在于，所述激光产生单元（11）包括：激光器（111）、恒流源（112）、以及激光驱动器（113），所述激光驱动器（113）分别与所述激光器（111）、所述恒流源（112）、以及伺服环路（2）电连接。

3.根据权利要求2所述的CPT原子频标，其特征在于，所述激光产生单元（11）还包括：自稳频（114），所述自稳频（114）与所述激光器（111）电连接。

4.根据权利要求1所述的CPT原子频标，其特征在于，所述CPT原子频标还包括：闭环时间检测单元（4），所述闭环时间检测单元（4）包括：与运算单元（41）、振荡单元（42）、振荡频率检测单元（43）、光隔离器（44）、以及第三光电检测单元（45），振荡单元（42）由奇数个非门串联构成且所述非门至少为1个，所述光隔离器（44）设置在所述第一分光片（151）和所述吸收泡（13）之间，

所述与运算单元（41）分别与所述伺服环路（2）和所述第三光电检测单元（45）电连接，所述振荡单元（42）分别与所述与运算单元（41）、所述光隔离 器（44）、以及所述振荡频率检测单元（43）电连接，所述振荡频率检测单元（43）还与所述伺服环路（2）电连接，

所述物理系统（1）还包括：第二分光片（46），所述第二分光片（46）设置在所述光隔离器（44）和所述吸收泡（13）之间，所述第三光电检测单元（45）正对所述第二分光片（46）的反射光路设置。

5.根据权利要求4所述的CPT原子频标，其特征在于，所述光隔离器（44）为高速快门。

6.根据权利要求1所述的CPT原子频标，其特征在于，所述伺服环路（2）包括：隔离放大器（21）、倍频器（22）、直接数字式频率合成器DDS（23）、微波产生单元（24）、功率放大器（25）、以及处理单元（26），所述隔离放大器（21）分别与所述VCXO（3）、所述倍频器（22）、以及所述DDS（23）电连接，所述微波产生单元（24）分别与所述倍频器（22）、所述DDS（23）、以及所述功率放大器（25）电连接，所述功率放大器（25）与所述激光产生单元（11）电连接，所述处理单元（26）分别与所述VCXO（3）、所述隔离放大器（21）、所述DDS（23）、所述功率放大器（25）、以及所述第一光电检测单元（14）电连接。

7.根据权利要求6所述的CPT原子频标，其特征在于，所述DDS（23）为AD9854。

8.根据权利要求1-7任一项所述的CPT原子频标，其特征在于，所述物理系统（1）还包括：为所述吸收泡（13）提供恒温工作环境以及原子裂化用的磁场的控制单元（16）。

9.根据权利要求1-7任一项所述的CPT原子频标，其特征在于，所述光学元件（12）为光栅。

10.根据权利要求1-7任一项所述的CPT原子频标，其特征在于，所述吸收泡（13）为铷⁸⁷Rb原子吸收泡。