專利名稱：一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于原子鐘的設(shè)計方法，具體涉及一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)原子鐘的原理是，探測原子能級的參考譜線，并將原子鐘輸出的頻率與參考譜線 鎖定，從而得到穩(wěn)定的原子鐘頻率。具體講，是以原子某個能級的躍遷吸收或發(fā)射的頻率 譜線為基準(由于它具有相對較高的穩(wěn)定性)，用鎖相電路或類似技術(shù)將一個微波信號或 光頻信號與這一躍遷頻率的中心鎖定，從而獲得一個與原子躍遷頻率接近一致的頻率輸 出，作為原子鐘的基準頻率，而后在經(jīng)過頻率變換使其輸出一個相對穩(wěn)定的特定頻率信號。 因此，傳統(tǒng)原子鐘的的重要部分就是輸出頻率與參考譜線的鎖定，鎖定電路要求很高，而 且容易產(chǎn)生不穩(wěn)因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種原子鐘基準頻率的獲取方法，利用該方 法無需對原子鐘的調(diào)制頻率進行鎖定，使得原子鐘的結(jié)構(gòu)簡化，提高了外部環(huán)境的適應(yīng)性。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種原子鐘基準頻率的獲取方法，其步驟包括
1) 用驅(qū)動電流源驅(qū)動半導體激光器，該半導體激光器同時受微波信號調(diào)制，產(chǎn)生兩個 頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光；
2) 上述兩個泵浦激光與具有A三能級系統(tǒng)的原子作用，所述微波信號的頻率與原子A 三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁(CPT)譜線半寬度， 產(chǎn)生一個與CPT失諧瞬態(tài)振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；
3) 將上述馳豫振蕩信號的頻率與上述調(diào)制半導體激光器的微波信號的頻率相加，得到 原子鐘的標準頻率。
驅(qū)動電流源產(chǎn)生一個方波信號，對驅(qū)動電流進行調(diào)制，驅(qū)動電流在工作點和閾值以下 周期性變換，使泵浦激光按一定周期激發(fā)CPT失諧瞬態(tài)振蕩。該方波信號的頻率小于CPT 失諧瞬態(tài)振蕩頻率。
一種原子鐘，包括一微波信號源，用于產(chǎn)生微波信號； 一驅(qū)動電流源，用于產(chǎn)生半導體激光器的驅(qū)動電流； 一偏置樹Bias-T，用于驅(qū)動電流信號和微波信號疊加；
一半導體激光器，上述疊加后信號作為該激光器的驅(qū)動和調(diào)制信號，產(chǎn)生兩個頻率差 等于上述微波信號頻率的泵浦激光；
一原子氣室，具有A三能級系統(tǒng)的原子蒸汽置于該氣室內(nèi)，上述兩個泵浦激光與具有A 三能級系統(tǒng)的原子作用，產(chǎn)生一個與CPT失諧瞬態(tài)振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號，
一光電轉(zhuǎn)換器，用于對上述馳豫振蕩信號進行光電轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的信號一路反饋到驅(qū) 動電流源，用于鎖定半導體激光器的工作波長，另一路信號經(jīng)過一信號讀取轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換 成頻率相同的正弦波信號；
一混頻器，用于上述正弦波信號和調(diào)制半導體激光器的微波信號相加，獲得原子鐘標 準頻率信號。
所述半導體激光器產(chǎn)生的泵浦激光信號經(jīng)過一衰減片，該衰減片用于調(diào)整激光信號的 功率達到原子鐘工作所需要的強度，所述衰減片可由偏振片組或光學衰減片構(gòu)成。
所述半 導體激光器產(chǎn)生的泵浦激光信號經(jīng)過一X/4波片，該X/4波片用于將激光信號輸 出的線偏振光轉(zhuǎn)換為激發(fā)CPT所需要的園偏振光。
所述微波信號源的微波信號通過一延時系統(tǒng)進入混頻器，該延時系統(tǒng)使經(jīng)過半導體激 光器、光電轉(zhuǎn)換器和信號讀取轉(zhuǎn)換器到達混頻器的信號和直接從微波源到達混頻器的信號 有相同的時延。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明利用相干布居數(shù)囚禁(CPT)失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象，即當微波信號的頻率與原子A 三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁CPT譜線半寬度時， 可產(chǎn)生一個與相干布居數(shù)囚禁CPT失諧瞬態(tài)振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號，該CPT失諧 瞬態(tài)振蕩的頻率等于兩泵浦激光頻率差與原子基態(tài)兩個超精細結(jié)構(gòu)頻率間隔的差值。本發(fā) 明將探測到的馳豫振蕩信號頻率與調(diào)制激光的微波頻率相加直接得到超精細結(jié)構(gòu)的頻率 差，從而獲得原子鐘的基準頻率。本發(fā)明將不需要對調(diào)制頻率進行鎖定，因為一旦微波頻 率漂移，它與原子基態(tài)兩個超精細結(jié)構(gòu)頻率間隔的差值會改變，與這一差值相等的馳豫振 蕩的頻率也會有相應(yīng)的改變。將調(diào)制信號與探測到的馳豫振蕩頻率相加時，頻率的漂移會 被探測到的CPT失諧瞬態(tài)振蕩頻率的改變所補償，從而省去了傳統(tǒng)原子鐘的鎖定電路部 分。這就使得原子鐘的結(jié)構(gòu)簡化，提高了對外部環(huán)境的適應(yīng)性。并且非常有利于原子鐘的小型化和數(shù)字化。


圖1為85Rb的三能級系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明原子鐘的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明利用的相干布居數(shù)囚禁(CPT)現(xiàn)象是在原子的A三能級系統(tǒng)中發(fā)生的，原子的A三能級系統(tǒng)的特點是有兩個下能級和一個相同的上能級，這兩個下能級通常是基態(tài)能級的超精細結(jié)構(gòu)。但不限于基態(tài)能級的超精細結(jié)構(gòu)。當用兩束相干激光分別對準相應(yīng)上下能級間隔時，即激光頻率差剛好等于下能級頻率間隔時，所有粒子將被囚禁在下能級，電子將不會被泵浦到上能級，這就是CPT現(xiàn)象。進一步，CPT失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象是指當兩泵浦激光頻率差不嚴格等于下能級精細結(jié)構(gòu)頻率差時，粒子將不會被全部囚禁在下能級，會有部分粒子被泵浦到上能級，但這個泵浦過程在形成穩(wěn)態(tài)前會有一個馳豫振蕩的瞬態(tài)過程，即上能級粒子數(shù)在兩束激光激發(fā)后會有一個振蕩過程，經(jīng)過一定時間才達到穩(wěn)態(tài)。這個上能級粒子數(shù)在被激光激發(fā)后的振蕩和衰減并趨于穩(wěn)定的過程就是相干布局數(shù)囚禁的失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象。這個瞬態(tài)過程的馳豫振蕩的振蕩頻率嚴格等于兩個泵浦激光頻率差與原子兩個下能級頻率間隔的差值。
當兩泵浦激光通過具有A三能級系統(tǒng)的原子激發(fā)出CPT現(xiàn)象時，如果此時將兩激光頻率差值在CPT下能級頻率間隔附近做線性掃描變化時，隨著兩激光頻率差對下能級頻率間隔偏離的改變，相干布居數(shù)囚禁現(xiàn)象有一個逐漸減增強到峰值而后又減弱直到消失的過程，這時探測泵浦光的投射強度，將會得到一個隨兩激光頻率差變化的透過光強譜線，即CPT譜線。在獲取原子鐘基準頻率時，兩激光頻率差需要大于CPT譜線半寬度，其原因是當偏差小于CPT譜線半寬度時失諧瞬態(tài)振蕩信號頻率過低，乃至小于振蕩譜線線寬，因而不能得到穩(wěn)定的失諧瞬態(tài)振蕩頻率。只有當這一偏差大于CPT譜線半寬度，才能夠從CPT失諧瞬態(tài)振蕩信號中探測到準確的振蕩頻率。
本發(fā)明基于上述原理，首先用疊加的直流信號和微波信號作為半導體激光器的驅(qū)動和調(diào)制信號，產(chǎn)生兩個泵浦激光，再使泵浦激光與A三能級系統(tǒng)的原子作用，調(diào)整微波信號的頻率與原子A三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁CPT譜線半寬度，激發(fā)一個CPT失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象，將有一個與CPT失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象相同頻率的馳豫振蕩。而馳豫振蕩的頻率剛好等于用于調(diào)制激光的微波信號頻率與原子基態(tài)兩個超精細結(jié)構(gòu)頻率間隔的差值。因此將探測到的馳豫振蕩信號基頻頻率與調(diào)制激光的微波頻率相加就可以直接得到超精細結(jié)構(gòu)的頻率差，即原子鐘的基準頻率。
采用本發(fā)明，原子鐘的頻率將具有很高的穩(wěn)定性。將這個穩(wěn)定的頻率分頻，就可產(chǎn)生一般原子鐘輸出的穩(wěn)定性很高的IOM，或其他所需要的穩(wěn)定標準頻率。
本發(fā)明原子鐘可包括一偏置樹(Bias-T)，該偏置樹(Bias-T)的作用是將驅(qū)動電流源和微波信號源中的信號疊加，信號疊加后作為半導體激光器的驅(qū)動和調(diào)制信號。半導體激光器產(chǎn)生的兩個泵浦激光信號可經(jīng)過衰減片和X/4波片到達原子氣室，衰減片可以由偏振片組或一般光學衰減片組成，用于調(diào)整激光的功率達到原子鐘工作所需要的強度。X/4波片用于將激光輸出的線偏振光轉(zhuǎn)換為激發(fā)瞬態(tài)CPT現(xiàn)象所需要的園偏振光。原子氣室內(nèi)封裝有產(chǎn)生CPT現(xiàn)象的原子蒸汽和緩沖氣體。激光信號經(jīng)過原子氣室后，由于兩個泵浦激光頻率差值對CPT下能級頻率差的偏離，產(chǎn)生一CPT失諧瞬態(tài)振蕩信號，其振蕩頻率就等于微波信號源產(chǎn)生的信號頻率與原子基態(tài)兩個超精細結(jié)構(gòu)能級躍遷頻率的差值。這一 CPT失諧瞬態(tài)振蕩信號被光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大器后， 一部分信號反饋回到驅(qū)動電流源，用于鎖定半導體激光器的波長，分出另一路信號經(jīng)過信號讀取轉(zhuǎn)換器，該信號讀取轉(zhuǎn)換器對周期性獲得的CPT失諧瞬態(tài)振蕩信號進行濾波和讀取分析，將信號轉(zhuǎn)換成頻率等于CPT失諧瞬態(tài)振蕩頻率的正弦波信號，該正弦波信號頻率嚴格等于微波調(diào)制信號與CPT兩個下能級，即原子基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)能級頻率間隔的差值。
上述信號讀取轉(zhuǎn)換器輸出的亦可以是頻率合成要求的其他形式的模擬或數(shù)字信號。
驅(qū)動電流源還將產(chǎn)生一個(頻率小于失諧瞬態(tài)振蕩頻率)方波信號，對驅(qū)動電流進行調(diào)制，使驅(qū)動電流在在工作點和閾值以下周期性變換，從而保證泵浦激光信號按一定周期激發(fā)CPT失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象。此外，驅(qū)動電流源還應(yīng)有一個在驅(qū)動電流上加一個小調(diào)制信號的功能，用于半導體激光器波長的鎖定。
微波信號源的另一路信號可經(jīng)過延時系統(tǒng)到達混頻器，延時系統(tǒng)的作用是使由微波源經(jīng)過調(diào)制半導體激光器產(chǎn)生失諧瞬態(tài)振蕩，再經(jīng)讀取轉(zhuǎn)換器到達混頻器的信號，與直接從微波源經(jīng)過延時系統(tǒng)到達混頻器的信號有相同的時延。這樣延時系統(tǒng)送出的信號頻率對于原子超精細結(jié)構(gòu)頻率差的偏離剛好被信號讀取轉(zhuǎn)換器輸出的信號補償，因此兩個信號頻率相加結(jié)果正好是原子基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)頻率差。即在混頻器中將微波信號源產(chǎn)生的經(jīng)過延時系統(tǒng)延時的微波信號和信號讀取轉(zhuǎn)換器給出的正弦波信號相加，即獲得到原子鐘標準頻率信號。
7上述兩路信號亦可轉(zhuǎn)換成其他形式的模擬或數(shù)字信號，只要將混頻器替換成相應(yīng)的模擬信號或數(shù)字頻率合成系統(tǒng)，用于兩路信號頻率相加，亦可獲得以其他形式顯示的原子鐘
基準頻率。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述
本發(fā)明原子鐘可用"Rb做為工作原子氣體，其三能級如圖l所示。參考圖2，微波信號源產(chǎn)生一個3.035G附近的微波信號，與驅(qū)動電流源產(chǎn)生的周期性(如5Hz方波，但不限于5Hz)激光器驅(qū)動電流在偏置樹(Bias-T)合成為VCSEL激光器的驅(qū)動和調(diào)制信號，VCSEL激光器在此驅(qū)動信號下輸出光波長應(yīng)該對準上下能級的吸收峰，同時用基帶和調(diào)制產(chǎn)生的一個邊帶做為CPT泵浦光，在激發(fā)CPT時所用兩個泵浦激光的頻率應(yīng)該分別對準上能級和兩個下能級的躍遷頻率，而在激發(fā)CPT失諧瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象時兩泵浦激光的頻率差應(yīng)對兩下能級頻率間隔有一個偏離。85111)兩下能級頻率差約為3.035G，這個設(shè)置的頻率偏離可以是100Hz-100M但不限于這個范圍。激光波長約為795nm。激光輸出可為每秒5次的周期性激發(fā)光。經(jīng)過衰減片后光強將達到工作要求，再經(jīng)過X/4波片轉(zhuǎn)換為園偏振光。通過原子氣室激發(fā)CPT瞬態(tài)振蕩現(xiàn)象，每次激發(fā)后光電轉(zhuǎn)換器都會獲得一列與CPT失諧瞬態(tài)振蕩信號頻率一致的馳豫振蕩光信號。這個振蕩信號的基頻就是調(diào)制激光器的微波信號與原子兩個基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)能級頻率間隔的差值。信號將被轉(zhuǎn)換為電信號后分為兩路，一路反饋回到驅(qū)動電流源用于鎖定激光波長。另一路進入信號讀取轉(zhuǎn)換器將CPT失諧瞬態(tài)振蕩信號取出，并轉(zhuǎn)換為幅度穩(wěn)定且頻率與CPT失諧瞬態(tài)振蕩相同的正弦波信號，這一正弦信號將隨每一次接收到的振蕩信號頻率的變化而實時調(diào)整。這一信號將與被延時系統(tǒng)延時(當觸發(fā)周期遠大于系統(tǒng)時延時，延時系統(tǒng)可以省去)的微波信號在混頻器中相加得到原子鐘的基準頻率，它將等于原子基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)頻率差。在經(jīng)過分頻后就可轉(zhuǎn)換為用戶所要求的10M但不限于10M的標準頻率。
本發(fā)明原子鐘比晶體振蕩器長期穩(wěn)定性好，與傳統(tǒng)原子鐘相比，開辟了一條機制上不同的獲取原子鐘標準頻率的新途徑。它更適合于進行整體集成。特別有利于發(fā)展高精度微型原子鐘，并且可以進一步降低成本、減小溫度影響、簡化電子系統(tǒng)，提高集成度，從而制造出穩(wěn)定度好、集成度高、體積微小并且成本低廉，適于大批量生產(chǎn)的原子鐘，具有高精度、低功耗、體積微小、價格低廉的特點。它的出現(xiàn)將會對相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生意義重大的深遠的影響。此類原子鐘將可以做為衛(wèi)星定位終端、高精度計算機、精密導航系統(tǒng)等的時間基準，亦可用于通信網(wǎng)絡(luò)、自動控制系統(tǒng)同步等等方面。成為廣泛應(yīng)用于民用和軍用設(shè)備、設(shè)施的時間和頻率標準。使相關(guān)儀器、裝置、設(shè)施等等的計時、同步和定位精度大大提高，從而為這些相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步和高速發(fā)展提供關(guān)鍵的技術(shù)支持和保證。
以上通過詳細實施例描述了本發(fā)明所提供的一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種原子鐘基準頻率的獲取方法，其步驟包括1)用驅(qū)動電流源驅(qū)動半導體激光器，該半導體激光器同時受微波信號調(diào)制，產(chǎn)生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光；2)上述兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子作用，所述微波信號的頻率與原子Λ三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁譜線半寬度，產(chǎn)生一個與相干布居數(shù)囚禁失諧瞬態(tài)振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；3)將上述馳豫振蕩信號的頻率與上述調(diào)制半導體激光器的微波信號的頻率相加，得到原子鐘的標準頻率。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，驅(qū)動電流源產(chǎn)生一個方波信號，對驅(qū)動 電流進行調(diào)制，驅(qū)動電流在工作點和閾值以下周期性變換，使泵浦激光按一定周期激發(fā)相 干布居數(shù)囚禁失諧瞬態(tài)振蕩。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，方波信號的頻率小于相干布居數(shù)囚禁失 諧瞬態(tài)振蕩頻率。
4、 一種原子鐘，包括 一微波信號源，用于產(chǎn)生微波信號； 一驅(qū)動電流源，用于產(chǎn)生半導體激光器的驅(qū)動電流； 一偏置樹Bias-T，用于驅(qū)動電流信號和微波信號疊加；一半導體激光器，上述疊加后信號作為該激光器的驅(qū)動和調(diào)制信號，產(chǎn)生兩個頻率差 等于上述微波信號頻率的泵浦激光；一原子氣室，具有A三能級系統(tǒng)的原子蒸汽置于該氣室內(nèi)，上述兩個泵浦激光與具有A 三能級系統(tǒng)的原子作用，產(chǎn)生一個與相干布居數(shù)囚禁失諧瞬態(tài)振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號一光電轉(zhuǎn)換器，用于對上述馳豫振蕩信號進行光電轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的信號一路反饋到驅(qū) 動電流源，用于鎖定半導體激光器的工作波長，另一路信號經(jīng)過一信號讀取轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成頻率相同的正弦波信號；一混頻器，用于上述正弦波信號和調(diào)制半導體激光器的微波信號相加，獲得原子鐘標 準頻率信號。
5、 如權(quán)利要求4所述的原子鐘，其特征在于，所述半導體激光器產(chǎn)生的泵浦激光信 號經(jīng)過一衰減片，該衰減片用于調(diào)整激光信號的功率達到原子鐘工作所需要的強度。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的原子鐘，其特征在于，所述半導體激光器產(chǎn)生的泵浦激光信號經(jīng)過一AV4波片，該X/4波片用于將激光信號輸出的線偏振光轉(zhuǎn)換為激發(fā)相干布居數(shù) 囚禁所需要的園偏振光。
7、 如權(quán)利要求4或5所述的原子鐘，其特征在于，所述微波信號源的微波信號通過 一延時系統(tǒng)進入混頻器，該延時系統(tǒng)使經(jīng)過半導體激光器、光電轉(zhuǎn)換器和信號讀取轉(zhuǎn)換器 到達混頻器的信號和直接從微波源到達混頻器的信號有相同的時延。
8、 如權(quán)利要求5所述的原子鐘，其特征在于，所述衰減片由偏振片組或光學衰減片 構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘，該方法包括用驅(qū)動電流源驅(qū)動半導體激光器，該半導體激光器同時受微波信號調(diào)制，可產(chǎn)生兩個頻率差與微波信號調(diào)制頻率相等的泵浦激光，這兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子作用，當微波信號的頻率與原子Λ三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁(CPT)譜線半寬度時，則產(chǎn)生一個與CPT失諧瞬態(tài)振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；將馳豫振蕩信號的頻率與微波信號的調(diào)制頻率相加，即可得到原子鐘的標準頻率。按照上述方法設(shè)計的原子鐘結(jié)構(gòu)簡單，省去了傳統(tǒng)原子鐘的鎖定電路，提高了對外部環(huán)境的適應(yīng)性。
文檔編號H03L7/26GK101488753SQ200910078110
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日
發(fā)明者中 汪, 科 鄧, 濤 郭, 陳徐宗 申請人:北京大學