微波相位調(diào)制鎖定原子鐘的制作方法
【專利摘要】一種微波相位調(diào)制鎖定原子鐘，其構(gòu)成包括受控晶振、倍頻綜合器、調(diào)制振蕩器、時(shí)序發(fā)生器、量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器和比例積分微分控制器，特點(diǎn)在于所述的調(diào)制振蕩器為微波相位調(diào)制振蕩器，本發(fā)明原子鐘微波頻率不變，有助于提高原子鐘躍遷信噪比，進(jìn)而提高了原子鐘的頻率穩(wěn)定度。
【專利說(shuō)明】微波相位調(diào)制鎖定原子鐘

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波原子鐘，特別是一種微波相位調(diào)制鎖定原子鐘。

【背景技術(shù)】
[0002]原子鐘的發(fā)展歷史最早可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)前后。其主要得益于當(dāng)時(shí)量子力學(xué)和微波波譜學(xué)的快速發(fā)展。早期的微波鐘使用的是非相干光源做抽運(yùn)光和探測(cè)光，其后隨著激光器的發(fā)展，激光選態(tài)和檢測(cè)方法被應(yīng)用到原子鐘研究，以期得到更好的效果。銣原子頻標(biāo)由于短期穩(wěn)定度高、體積小巧和便于攜帶的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的脈沖光抽運(yùn)原子頻標(biāo)采用三能級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。比如說(shuō)，當(dāng)原子鐘使用87Rb原子介質(zhì)時(shí)，利用激光01和微波誘導(dǎo)躍遷02在時(shí)間上分開的技術(shù)(分離振蕩場(chǎng)技術(shù))。先利用激光01將能級(jí)03(|531/2{ = 2>)上的原子抽空，原子氣體就不再吸收激光01。這時(shí)再加上微波Ramsey作用(兩個(gè)在時(shí)間上分開的微波脈沖)，使原子在能級(jí)03和能級(jí)04 (| 5S1/2, F = I?之間發(fā)生磁偶極躍遷，激光01的抽運(yùn)作用時(shí)序05，微波作用時(shí)序06，微波作用完后進(jìn)行激光吸收法探測(cè)，得到發(fā)生鐘躍遷的信息。躍遷過(guò)程使一部分原子被抽運(yùn)到能級(jí)03上，造成能級(jí)03上原子布居數(shù)的改變，能級(jí)03上的原子布居數(shù)隨著微波頻率失諧的改變而改變，從而攜帶Ramsey條紋。如果微波頻率與鐘躍遷頻率嚴(yán)格共振，則正負(fù)失諧得到的信號(hào)相等，誤差信號(hào)為零。一旦微波頻率稍微離開共振處，則正負(fù)失諧得到的鐘躍遷信號(hào)不相等，做差可以得到誤差信號(hào)，它可以作為鎖定本地晶體振蕩用的反饋信號(hào)。
[0003]現(xiàn)有的非自激型分離振蕩場(chǎng)技術(shù)原子鐘的結(jié)構(gòu)環(huán)路方框圖如圖2所示。其原理是受控晶振I作為初始信號(hào)源，由第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出和第二輸出端提供激勵(lì)輸出到倍頻綜合器2的第一輸入端。調(diào)制振蕩器3的輸入端與時(shí)序發(fā)生器4的輸出端相連，接受時(shí)序控制進(jìn)行正負(fù)跳頻，時(shí)序發(fā)生器4在前半個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行正跳頻，在后半個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行負(fù)跳頻。調(diào)制振蕩器3通過(guò)輸出端把信號(hào)輸入到倍頻綜合器2的第二輸入端，再與受控晶振I的第二輸出端提供的激勵(lì)信號(hào)在倍頻綜合器2中進(jìn)行調(diào)制，從而使激勵(lì)躍遷頻率在原子躍遷頻率上有一個(gè)小的正負(fù)跳頻，并從倍頻綜合器2的輸出端輸出進(jìn)入到量子系統(tǒng)5。如果倍頻綜合器2的輸出端輸出的激勵(lì)信號(hào)的頻率和量子系統(tǒng)5的本身的躍遷譜線中心頻率不相等時(shí)，經(jīng)過(guò)量子系統(tǒng)5后得到不同的信號(hào)強(qiáng)度，一個(gè)周期內(nèi)兩次信號(hào)都由量子系統(tǒng)5的輸出端輸出到數(shù)據(jù)采集處理器6的輸入端，數(shù)據(jù)采集處理器6將兩次得到的信號(hào)做差得到誤差信號(hào)，從輸出端輸出到比例積分微分控制器7的輸入端。比例積分微分控制器7將信號(hào)處理后由輸出端輸出到受控晶振I的輸入端，以調(diào)整其頻率，使之與躍遷譜線中心頻率相等。當(dāng)受控晶振I與躍遷譜線中心頻率吻合時(shí)，數(shù)據(jù)采集處理器6不再給出誤差信號(hào)，受控晶振I保持穩(wěn)定。
[0004]所述的量子系統(tǒng)5產(chǎn)生糾偏電壓的過(guò)程如圖3所示。量子系統(tǒng)的Ramsey曲線的中心條紋區(qū)域處，當(dāng)受控晶振I的頻率經(jīng)倍頻綜合器2的輸出端輸出的激勵(lì)信號(hào)的中心頻率和量子系統(tǒng)5的本身的躍遷譜線中心頻率相等時(shí)，也即微波頻率處于橫坐標(biāo)11處時(shí)，再經(jīng)過(guò)調(diào)制振蕩器3的正負(fù)跳頻，當(dāng)正跳頻時(shí)，微波頻率處于橫坐標(biāo)12處，經(jīng)過(guò)一個(gè)Ramsey微波探詢，得到的鐘躍遷信號(hào)處于縱坐標(biāo)14處，負(fù)跳頻時(shí)，微波頻率處于橫坐標(biāo)13處，經(jīng)過(guò)Ramsey微波探詢，得到的鐘躍遷信號(hào)大小處于縱坐標(biāo)14處，兩者大小相等，產(chǎn)生的誤差信號(hào)為零。當(dāng)受控晶振I的頻率離開中心頻率時(shí)，經(jīng)過(guò)倍頻綜合器2后，假設(shè)其頻率向右離開原子的中心頻率,處于橫坐標(biāo)15處，正跳頻時(shí)，微波頻率處于16處，經(jīng)過(guò)Ramsey微波探詢，利用激光探測(cè)得到的鐘躍遷信號(hào)大小處于縱坐標(biāo)17處；負(fù)跳頻時(shí)，微波頻率處于18處，經(jīng)過(guò)Ramsey微波探詢，利用激光探測(cè)得到的鐘躍遷信號(hào)大小處于縱坐標(biāo)19處，將17處的信號(hào)與19處的信號(hào)在數(shù)據(jù)采集處理器6作差后得到負(fù)的誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例積分微分控制器7處理放大后，反饋到受控晶振1，使其頻率降低。同樣地，當(dāng)微波頻率向左離開原子的中心頻率，量子系統(tǒng)5給出正的反饋電壓使其頻率回到中心處，以保證受控晶振I的穩(wěn)定性。
[0005]鐘躍遷信號(hào)依賴于微波與原子相互作用，這種作用是在微波腔中進(jìn)行的，因而任何影響到微波與原子作用強(qiáng)度的因素都會(huì)對(duì)原子鐘的性能產(chǎn)生影響。比如，微波的頻率，當(dāng)微波頻率正負(fù)失諧相等時(shí)，理論上微波與原子的作用強(qiáng)度相等，但是由于微波腔的共振中心與原子的譜線中心頻率可能不嚴(yán)格相等，因而其耦合強(qiáng)度可能不同，也即產(chǎn)生腔相移?’另一個(gè)原因是原子的速度分速度會(huì)產(chǎn)生不同的失諧使微波相對(duì)其中心頻率偏開，理論上的正負(fù)失諧的作用強(qiáng)度不再相等，從而影響鐘躍遷信號(hào)，進(jìn)而影響原子鐘性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微波相位調(diào)制鎖定原子鐘，該原子鐘沒(méi)有微波頻率失諧，有助于提高鐘躍遷信噪比，提高了原子鐘的頻率穩(wěn)定度。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種微波相位調(diào)制鎖定原子鐘，其構(gòu)成包括受控晶振、倍頻綜合器、調(diào)制振蕩器、時(shí)序發(fā)生器、量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器和比例積分微分控制器，其特征在于所述的調(diào)制振蕩器為微波相位調(diào)制振蕩器，所述的受控晶振的輸入端與所述的比例積分微分控制器的輸出端相連，所述的受控晶振第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出，所述的受控晶振第二輸出端與所述的倍頻綜合器的第一輸入端相連；所述的倍頻綜合器的第一輸入端與所述的受控晶振的第二輸出端相連，所述的倍頻綜合器的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器的輸出端相連；所述的調(diào)制振蕩器的輸入端與所述的時(shí)序發(fā)生器的輸出端相連；所述的調(diào)制振蕩器的輸出端與所述的倍頻綜合器第二輸入端相連；所述倍頻綜合器的輸出端與所述的量子系統(tǒng)的輸入端相連；所述的量子系統(tǒng)輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端相連，所述的數(shù)據(jù)采集處理器輸出端與所述的比例積分微分控制器的輸入端相連；所述的比例積分微分控制器的輸出端與所述的受控晶振的輸入端相連，所述的時(shí)序發(fā)生器使所述的微波相位調(diào)制振蕩器在一個(gè)周期內(nèi)按0°?+ θ?0°?-Θ相位變化輸出調(diào)制信號(hào)對(duì)所述的倍頻綜合器輸出的微波信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制以后的微波信號(hào)與原子相互作用，利用激光的吸收法進(jìn)行探測(cè)，在微波與原子共振處，微波相位+Θ調(diào)制得到的信號(hào)與微波相位-Θ調(diào)制得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)所述的數(shù)據(jù)采集處理器采集做差后得到誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)再經(jīng)所述的比例積分微分控制器處理后輸入所述的受控晶振，使所述的受控晶振的頻率得到穩(wěn)定控制，所述的Θ的變化范圍的絕對(duì)值是10°?90°。
[0009]所述的Θ的絕對(duì)值為90°。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0011]首先是保持與原子作用的微波頻率不變，微波與原子的中心頻率一直共振，因而可以消除微波共振譜線不對(duì)稱，消除原子速度分布的影響。
[0012]其次，所述的時(shí)序發(fā)生器(4)在一個(gè)周期內(nèi)是按0°?+ θ?0°?-Θ變化的，所述的Θ的變化范圍的絕對(duì)值是10°?90°。
[0013]再次，微波與原子的中心頻率一直共振，沒(méi)有頻率失諧，因而微波與原子作用有效拉比頻率小，有助于提高鐘躍遷信噪比?？梢蕴岣呤芸鼐д竦姆€(wěn)定度，也即原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是現(xiàn)有的光抽運(yùn)原子頻標(biāo)的二能級(jí)結(jié)構(gòu)和微波脈沖頻率變化不意圖
[0015]圖2是現(xiàn)有原子鐘的環(huán)路框圖
[0016]圖3是現(xiàn)有原子鐘的量子系統(tǒng)4產(chǎn)生誤差信號(hào)示意圖
[0017]圖4是三能級(jí)結(jié)構(gòu)及作用的微波脈沖相位變化示意圖
[0018]圖5是通過(guò)微波相位調(diào)制鎖定原子鐘的量子系統(tǒng)4產(chǎn)生誤差信號(hào)示意圖

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]先請(qǐng)參閱圖2，圖2是原子鐘的環(huán)路框圖。由圖可見，本發(fā)明微波相位調(diào)制鎖定原子鐘的構(gòu)成包括受控晶振I，倍頻綜合器2，微波相位調(diào)制振蕩器3，時(shí)序發(fā)生器4、量子系統(tǒng)5、數(shù)據(jù)采集處理器6和比例積分微分控制器7，上述部件的連接關(guān)系如下:
[0021]所述的受控晶振I作為初始信號(hào)源，由一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端構(gòu)成，所述的受控晶振I的輸入端與所述的比例積分微分控制器8的輸出端相連，接受直流糾偏電壓，所述的受控晶振I第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出，第二輸出端提供激勵(lì)輸出，與所述的倍頻綜合器2第一輸入端相連。所述的倍頻綜合器2具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述的倍頻綜合器2第一輸入端與所述的受控晶振I第二輸出端相連，所述的倍頻綜合器2的第二輸入端與所述的微波相位調(diào)制振蕩器3的輸出端相連。所述倍頻綜合器2的輸出端與所述的量子系統(tǒng)5的輸入端相連。所述的微波相位調(diào)制振蕩器3具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述的微波相位調(diào)制振蕩器3的輸入端與所述的時(shí)序發(fā)生器4的輸出端相連。所述的微波相位調(diào)制振蕩器3的輸出端與所述的倍頻綜合器2的第二輸入端相連。所述的時(shí)序發(fā)生器4的輸出端與所述的微波相位調(diào)制振蕩器3的輸入端相連。所述的量子系統(tǒng)5具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述的量子系統(tǒng)5的輸入端與所述的倍頻綜合器2的輸出端相連，所述的量子系統(tǒng)5的輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集處理器6的輸入端相連。所述的數(shù)據(jù)采集處理器6具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述的數(shù)據(jù)采集處理器6的輸入端與所述的量子系統(tǒng)5的輸出端相連，所述的數(shù)據(jù)采集處理器6的輸出端與所述的比例積分微分控制器7的輸入端相連。所述的比例積分微分控制器7具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述的比例積分微分控制器7的輸入端與所述的數(shù)據(jù)采集處理器6的輸出端相連。所述的比例積分微分控制器7的輸出端與所述的受控晶振I的輸入端相連。
[0022]所述的量子系統(tǒng)5產(chǎn)生誤差信號(hào)的過(guò)程如圖4和圖5所示。
[0023]1.利用激光01將能級(jí)03(|5S1/2，F(xiàn) = 2?上的原子抽空，關(guān)閉激光01，這時(shí)再加上微波02，先作用第一微波脈沖，其相位為0°，第一微波脈沖作用完后，關(guān)閉微波02，原子自由演化，經(jīng)過(guò)自由演化時(shí)間以后，作用第二微波脈沖，此時(shí)第二個(gè)微波脈沖的相位由所述的微波相位調(diào)制振蕩器3所改變，與第一微波脈沖的相位相差為+ Θ °，當(dāng)?shù)诙€(gè)微波脈沖作用完后，再利用所述的量子系統(tǒng)5里的激光01進(jìn)行吸收法探測(cè)，探測(cè)到能級(jí)03上鐘躍遷概率，得到發(fā)生鐘躍遷的信息，輸出到所述的數(shù)據(jù)采集處理器6。此時(shí)相對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于其Ramsey條紋相對(duì)于0°?0° (兩個(gè)微波脈沖相位都為0° )發(fā)生了正向移動(dòng)，對(duì)應(yīng)于圖5中Ramsey條紋由21處移動(dòng)到22處；
[0024]2.上一次鐘躍遷探測(cè)完成以后，繼續(xù)進(jìn)行激光01抽運(yùn)，將能級(jí)03 (I 5S1/2, F = 2?上的原子抽空，關(guān)閉激光01，這時(shí)再加上微波02，先作用第一微波脈沖，其相位定為0°，第一微波脈沖作用完后，關(guān)閉微波02，原子自由演化，經(jīng)過(guò)自由演化時(shí)間以后，作用第二微波脈沖，此時(shí)第二微波脈沖的相位由所述的微波相位調(diào)制振蕩器3所改變，與第一微波脈沖的相位相差-Θ，當(dāng)?shù)诙⒉}沖作用完后，再利用所述的量子系統(tǒng)5里的激光01進(jìn)行能級(jí)03上鐘躍遷概率的探測(cè)，得到發(fā)生鐘躍遷的信息，輸出到所述的數(shù)據(jù)采集處理器6。此時(shí)相對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于其Ramsey條紋(微波脈沖0° -0°作用的情況)發(fā)生了反向移動(dòng)，對(duì)應(yīng)于圖5中Ramsey條紋由21處移動(dòng)到23處；
[0025]3.激光01的時(shí)序圖為05，微波時(shí)序圖以及微波相位時(shí)序圖為06。當(dāng)微波頻率與原子躍遷共振時(shí)，也即其頻率處于橫坐標(biāo)24處，由兩種微波脈沖相位:0°?+ Θ和0°?-Θ作用得到的鐘躍遷的信號(hào)大小都處于縱坐標(biāo)25處，此時(shí)經(jīng)過(guò)所述的數(shù)據(jù)采集處理器6后得到的誤差信號(hào)為零。
[0026]4.當(dāng)微波的頻率由于外部擾動(dòng)，離開原子躍遷共振點(diǎn)時(shí)，比如微波頻率向右偏離，處于橫坐標(biāo)26處，由兩種微波脈沖相位:0°?+ Θ和0°?-Θ作用得到的鐘躍遷的信號(hào)大小分別對(duì)應(yīng)于圖5中縱坐標(biāo)28和27處，此時(shí)由所述的數(shù)據(jù)采集處理器6做差得到誤差信號(hào)，再通過(guò)所述的比例積分微分控制器7放大后，加到所述的受控晶振I上，使所述的受控晶振I的頻率回到中心頻率處，進(jìn)而鎖定原子鐘的頻率。回到中心頻率的受控晶振的頻率經(jīng)倍頻后與原子譜線重合，不再產(chǎn)生誤差信號(hào)，直到下一次微擾使其發(fā)生移動(dòng)。
[0027]5.當(dāng)微波的頻率由于外部擾動(dòng)，離開原子躍遷共振點(diǎn)時(shí)，比如微波頻率向左偏離時(shí)，由兩種微波脈沖相位:0°?+ Θ和0°?-Θ作用得到的鐘躍遷的信號(hào)，由所述的數(shù)據(jù)采集處理器6做差得到誤差信號(hào)，通過(guò)所述的比例積分微分控制器7放大后，加到所述的受控晶振I上，使所述的受控晶振I的頻率回到中心頻率處，進(jìn)而鎖定原子鐘的頻率。回到中心頻率的受控晶振的頻率經(jīng)倍頻后與原子譜線重合，不再產(chǎn)生誤差信號(hào)，直到下一次微擾使其發(fā)生移動(dòng)。
[0028]6.在一個(gè)周期內(nèi)，所述的微波相位調(diào)制振蕩器3接受所述的時(shí)序發(fā)生器4的時(shí)序控制，使微波脈沖的相位變化為0°?+ θ°?0°?-θ°，分別對(duì)應(yīng)于前一個(gè)Ramsey探詢?cè)訒r(shí)，第一個(gè)微波脈沖相位為0° ,第二個(gè)微波脈沖相位為+ Θ ;后一個(gè)Ramsey探詢?cè)訒r(shí)，第一個(gè)微波脈沖相位為0°，第二個(gè)微波脈沖相位為-Θ。如此周期循環(huán)。
[0029]實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明原子鐘微波頻率不變，提高了原子鐘躍遷信噪比，進(jìn)而提高了原子鐘的頻率穩(wěn)定度。
【權(quán)利要求】
1.一種微波相位調(diào)制鎖定原子鐘，其構(gòu)成包括受控晶振(I)、倍頻綜合器(2)、調(diào)制振蕩器(3)、時(shí)序發(fā)生器(4)、量子系統(tǒng)(5)、數(shù)據(jù)采集處理器(6)和比例積分微分控制器(7)，其特征在于所述的調(diào)制振蕩器(3)為微波相位調(diào)制振蕩器，所述的受控晶振(I)的輸入端與所述的比例積分微分控制器(7)的輸出端相連，所述的受控晶振(I)第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出，所述的受控晶振(I)第二輸出端與所述的倍頻綜合器(2)的第一輸入端相連；所述的倍頻綜合器(2)的第一輸入端與所述的受控晶振(I)的第二輸出端相連，所述的倍頻綜合器(2)的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器(3)的輸出端相連；所述的調(diào)制振蕩器(3)的輸入端與所述的時(shí)序發(fā)生器(4)的輸出端相連；所述的調(diào)制振蕩器(3)的輸出端與所述的倍頻綜合器(2)第二輸入端相連；所述倍頻綜合器(2)的輸出端與所述的量子系統(tǒng)(5)的輸入端相連；所述的量子系統(tǒng)(5)輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集處理器￠)的輸入端相連，所述的數(shù)據(jù)采集處理器(6)輸出端與所述的比例積分微分控制器(7)的輸入端相連；所述的比例積分微分控制器(7)的輸出端與所述的受控晶振⑴的輸入端相連，所述的時(shí)序發(fā)生器(4)使所述的微波相位調(diào)制振蕩器在一個(gè)周期內(nèi)按0°?+ θ?0°?-Θ相位變化輸出調(diào)制信號(hào)對(duì)所述的倍頻綜合器(2)輸出的微波信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制以后的微波信號(hào)與原子相互作用，利用激光的吸收法進(jìn)行探測(cè)，在微波與原子共振處，微波相位+ Θ調(diào)制得到的信號(hào)與微波相位-Θ調(diào)制得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)所述的數(shù)據(jù)采集處理器(6)采集做差后得到誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)再經(jīng)所述的比例積分微分控制器(7)處理后輸入所述的受控晶振(1)，使所述的受控晶振(I)的頻率得到穩(wěn)定控制，所述的Θ的變化范圍的絕對(duì)值是10。?90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波相位調(diào)制鎖定原子鐘，其特征在于所述的Θ的絕對(duì)值為90。。
【文檔編號(hào)】H03L7/26GK104467838SQ201410698258
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】林錦達(dá), 鄧見遼, 董功勛, 王育竹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所