专利名称：全光学化铷频标方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光技术领域，具体是指一种全光学化铷频标方法及其系统。
背景技术：
铷频标(铷原子频率标准)是一种高精度、高稳定度的频率基准信号源。它利用铷原子能级跃迁谱线鉴频、锁定高精度恒温压控晶体振荡器，使其输出频率可达到很高的稳定度，适用于时间、频率计量、卫星定位、无线电导航、数字通信的网同步等应用领域，以及其它许多方面的科学研究和高层次的高等教育教学需求。
传统的铷频率标准以铷原子线性吸收谱线鉴频，其对应谱线线宽较宽；以高频无极放电激励铷汽泡发光形式的光谱灯作光激励源，需特制铷灯及无极放电源；以机械式微波谐振腔将激励跃迁的微波信号作用于铷吸收泡；性能易受到机械结构及精度的影响，重量体积也受到限制。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种全光学化铷频标方法及其系统。该方法锁频精度高，系统无需加机械式激励系统，价廉、体轻。
本发明所述一种全光学化铷频标方法，其特征是，先通过工作温度和注入电流控制，将泵浦激光调至Rb的D2线对应的波长；再由高精度恒温压控晶体振荡器通过倍频、综合产生射频信号，调制半导体激光，并通过λ/4波片，产生激发相干共振所需要的σ光分量，由已调制激光的两条边带激发Rb的0-0超精细相干共振跃迁；将此相干共振谱线作为鉴频信号。检测相干共振信号，当高精度恒温压控晶体振荡器频率产生偏离时，铷原子物理系统将输出一个纠偏信号去控制高精度恒温压控晶体振荡器，使其回到原来的频率。利用获得的相干信号可将频标信号稳定在相干共振谱线的中心频率上，实现频标信号所需的精度以及短期和长期的频率稳定。
为了更好地实现本发明，所述相干共振信号的检测，采用偏振光谱学技术，即用第二束弱偏振光通过已相干共振的原子系统时产生的偏振方向的变化来检测；所述铷原子物理系统的激励是利用小型半导体激光二极管激光做泵浦光。
本发明所述一种全光学化铷频标系统，其特征是，它由半导体激光二极管、铷原子物理系统、光信号检测、放大器和高精度恒温压控晶体振荡器相互连接组成，其相互连接关系为半导体激光二极管分别连接有精密温度控制器和精密注入电流控制器，并与铷原子物理系统相连接，光信号检测、放大器分别与铷原子物理系统和高精度恒温压控晶体振荡器相连接，并与精密注入电流控制器相连接，高精度恒温压控晶体振荡器还依次通过倍频、频率综合器、混频倍频器与半导体激光二极管相连接。
为了更好地实现本发明，所述铷原子物理系统是由线偏振器、光功分器、反射器、圆偏振器、恒温铷汽泡室、检偏器依次组成的光路系统，在恒温铷汽泡室环绕有磁场线圈，磁场线圈还连接有磁场电流控制电路。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果本发明以铷原子相干共振跃迁谱线鉴频，对应鉴频谱线更加细锐，锁频精度可更高；以激励相干跃迁的射频信号直接调制半导体激光进行光泵浦，无需加机械式激励系统，避免了机械系统影响，且有利减少重量体积；以商品化小功率激光二极管为激励源，通用、价廉、体轻、功耗小。
图1是三能级原子系统示意图；图2是铷原子能级结构示意图；图3是本发明系统的结构方框图；图4是本发明系统的铷原子物理系统结构示意图；图5是本发明系统精密注入电流控制器的结构方框图；图6是本发明系统精密注入电流控制器的电路原理图；图7是本发明系统精密温度控制器的结构方框图；图8是本发明系统精密温度控制器的电路原理图；图9是本发明系统光信号检测、放大器的电路原理图；图10是本发明系统磁场电流控制电路的电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。
如图1和2所示，一个∧形原子三能级系统，如果使用频率为ω13和ω23的激光使原子的基态的超精细能级|1＞和|2＞与光学能级|3＞耦合起来，则在能级|1＞和|2＞之间将出现相干共振现象。此外，如果所使用的泵浦激光被重复频率为υ的脉冲所调制，且其脉冲宽度τ满足ω12τ≤1，则每当n2πυ＝ω12(其中n＝1，2，3……)时，每个脉冲所产生的相干便将相互加强，从而在能级|1＞和|2＞之间将出现中心频率为ω12的尖锐的相干共振，可获得非常窄的共振线。在原子频标上，利用这种超精细相干共振，除可获得比传统抽运方法要窄得多的鉴频谱线外；还可由于通过将激励相干共振的射频信号全寓于泵浦的半导体激光之中，无需象传统的频标方法那样，用铷灯进行光抽运，并在光抽运的同时还必须在样品区加载微波谐振腔提供射频激励场。
如图3所示，本发明系统为一单气泡式光抽运原子频率标准系统，由半导体激光二极管1、铷原子物理系统4、光信号检测、放大器5和高精度恒温压控晶体振荡器6相互连接组成。其中，半导体激光二极管1分别连接有精密温度控制器2和精密注入电流控制器3，并与铷原子物理系统4相连接，光信号检测、放大器5分别与铷原子物理系统4和高精度恒温压控晶体振荡器6相连接，并与精密注入电流控制器3相连接，高精度恒温压控晶体振荡器6还依次通过倍频、频率综合器7、混频倍频器8与半导体激光二极管1相连接。精密温度控制器2与精密注入电流控制器3用于使半导体激光的输出工作于铷原子D2线的中心波长。由高精度恒温压控晶体振荡器6输出的频率信号，经综合、倍频加在半导体激光二极管1上，用于调制半导体激光去激励铷原子物理系统4中的原子产生共振跃迁。该共振跃迁谱线用作为鉴频信号。当高精度恒温压控晶体振荡器6的频率由于老化等原因产生偏离时，经综合、倍频的频率将偏离谱线的中心，这时铷原子物理系统4将输出一个纠偏信号。该信号经光电检测、放大，去控制高精度恒温压控晶体振荡器6，使其输出回到原来的频率。
如图4所示，铷原子物理系统4是由线偏振器9、光功分器10、反射器11、圆偏振器12、恒温铷汽泡室13、检偏器14依次组成的光路系统，在恒温铷汽泡室13环绕有磁场线圈15，磁场线圈15还连接有磁场电流控制电路16。
如图5所示，精密注入电流控制器3由稳压滤波电路17、慢启动稳流电路18、激光管保护电路19、高精度电压基准电路20、差分放大电路21、调制输入电路22、门控电路23和取样放大反馈电路24组成。
如图6所示，NF是消除电网浪涌的噪声滤波器。R101、R102分别是470V/1KA的压敏电阻和27V低压压敏电阻，T101是15V变压器，B101是100V/2A的整流桥。C101，C102，U101(W7815)，C103构成三端稳压。C104，L101，C105构成滤波电路。R103，C106，Q101，C107构成半导体激光二极管的慢启动稳流电路。C108～C113，L102构成第二级滤波电路。W101、R130组成一固定精密基准电压，与U101、U102、P103、P104和R131～R134、C114、C115组成可调高精度电压基准电路。U103、U104、U105与R106～R120、C116～C122为一改进直流差动放大器(差分放大电路)。U106、R122～R124和C123、C125为反相器，U107、R125～R130和C126、C127为一加法器。U109为放大器，U108与Q102构成压控恒流电流电路，控制流经Q102、也即激光二极管的电流。Z301为反向保护二极管。半导体激光二极管由激光二极管LD本身及管内内置光电二极管PD组成。R136是LD内置Si光电二极管的负载电阻。
如图7所示，精密温度控制器2由方波发生电路25、桥式温度传感电路26、差分放大电路27、相敏检波电路28、低通滤波电路29、PID电子自动控制电路30、比较、驱动电路31和电热转换器TEC32组成。
如图8所示，晶振和U204、C201、C202、R201组成方波发生电路器，其输出经C203耦合到由R202、R203、P202(精密多圈电位器)和温度传感器R262组成的桥式温度传感电路上。C204、C205起耦合作用。U201、U202、U203及相关电阻R204～R210、电容C206～C214组成改进的差分放大电路。U204、U215、U212、U216组成锁相放大电路。R223、C218组成低通滤波器。U207、R234～R239、C222～C225组成积分器；U208、R240～R244、C226～C228组成微分器；U209、R245～R250、和C229、C230组成比例器；比例、积分、微分信号由加法器U210加在一起组成PID电子自动控制电路。U211、Q201、Q202、Q203和Q204组成比较、驱动电路，去控制半导体致冷器(电热转换器)的工作状态(加热或致冷)。
如图9所示，光信号检测、放大器5由光电管、前置放大器和有源滤波电路组成。
如图10所示，磁场电流控制电路16由电源经恒压D501、D502和电流调节W501组成。
倍频、频率综合器7和混频倍频器8采用ANALOG DEVICES公司的AD9854芯片，该芯片外接电路系直接采用该公司的推荐电路。高精度恒温压控晶体振荡器6采用国家航天部二院晶振室产品。工作电源为通用电源，分别输出±15V，±12V，+12V，+5V。半导体激光二极管1的选用标准为单纵模、小功率、标称波长为D2线对应的波长。
在具体应用过程中，将本发明系统各部分与电源相联接，对各部分供电。将小功率半导体激光二极管1连接到精密温度控制器2和精密注入电流控制器3和铷原子物理系统4，调节激光管的工作温度和注入电流，使得小功率半导体激光二极管1激光经精密稳流恒温调节至所需工作波长，将该激光照射铷原子物理系统4，即可激励所需的铷原子的光能级跃迁。再将铷原子物理系统4、倍频、频率综合器7、混频倍频器8、高精度恒温压控晶体振荡器6相联接，使得恒温高精度压控晶振输出经综合、混频、倍频产生所需射频激励信号，并用此信号输入到1中调制半导体二极管激光；用该激光激励铷原子气体产生0-0超精细相干共振跃迁。以此跃迁信号作误差信号锁定晶振的输出频率，得到高精度、高稳定的频标信号。
如上所述，即可较好地实现本发明。
权利要求
1.一种全光学化铷频标方法，其特征是，先通过工作温度和注入电流控制，将泵浦激光调至Rb的D2线对应的波长；再由高精度恒温压控晶体振荡器通过倍频、综合产生射频信号，调制半导体激光，并通过λ/4波片，产生激发相干共振所需要的σ光分量，由已调制激光的两条边带激发Rb的0-0超精细相干共振跃迁；将此相干共振谱线作为鉴频信号，检测相干共振信号，当高精度恒温压控晶体振荡器频率产生偏离时，铷原子物理系统将输出一个纠偏信号去控制高精度恒温压控晶体振荡器，使其回到原来的频率。
2.根据权利要求1所述的一种全光学化铷频标方法，其特征是，所述相干共振信号的检测，采用偏振光谱学技术，即用第二束弱偏振光通过已相干共振的原子系统时产生的偏振方向的变化来检测。
3.根据权利要求1所述的一种全光学化铷频标方法，其特征是，所述铷原子物理系统的激励是利用小型半导体激光二极管激光做泵浦光。
4.一种全光学化铷频标系统，其特征是，它由半导体激光二极管、铷原子物理系统、光信号检测、放大器和高精度恒温压控晶体振荡器相互连接组成，其相互连接关系为半导体激光二极管分别连接有精密温度控制器和精密注入电流控制器，并与铷原子物理系统相连接，光信号检测、放大器分别与铷原子物理系统和高精度恒温压控晶体振荡器相连接，并与精密注入电流控制器相连接，高精度恒温压控晶体振荡器还依次通过倍频、频率综合器、混频倍频器与半导体激光二极管相连接。
5.根据权利要求4所述的一种全光学化铷频标系统，其特征是，所述铷原子物理系统是由线性偏振器、光功分器、反射器、圆偏振器、恒温铷汽泡室、检偏器依次组成的光路系统，在恒温铷汽泡室环绕有磁场线圈，磁场线圈还连接有磁场电流控制电路。
全文摘要
本发明是一种全光学化铷频标方法及其系统，该方法是先将泵浦激光调至Rb的D
文档编号G02F1/00GK1523398SQ0314045
公开日2004年8月25日 申请日期2003年9月5日 优先权日2003年9月5日
发明者孙番典, 杨世琪, 刘琼发, 孙汪典, 吴先球, 周卫星 申请人:华南师范大学