锶光钟系统磁光阱原子数稳定电路的制作方法

本实用新型属于电路控制设备及装置技术领域，具体涉及到一种可用作稳定锶光钟系统一级冷却磁光阱对应原子数的集成控制模块。

背景技术：

光钟是目前公认的最具有发展潜力的原子钟，理论上预期光钟的频率不确定度可达10-18，有望成为国际新一代时间频率基准。基于囚禁中性原子的光晶格钟具有更多的原子数目，有利于提高原子谱线的信噪比,且由于使用“魔术”波长来构成光晶格，能使得原子钟跃迁的基态和激发态的Stark频移相同,最终使原子钟跃迁频率保持精确不变。

在光钟的研制中，对于冷原子样品的制备很关键，由于稳频激光最终要锁定至原子跃迁谱线上，因此它的谱线质量要非常好，也即要求我们冷却的原子样品温度尽量低且数目足够多，最终对钟整体性能起到很大提高作用。因此锶光钟系统对磁光阱制备得到的原子数目要求很高，然而在实际的实验中，由于施加在原子炉上的温度有一定的波动、激光器的波长和功率也会小幅度的改变，我们通过磁光阱制备得到的锶原子数目会发生一定的波动。但实验系统中我们要求制备尽可能多并且数目尽可能稳定的原子，以此来提高后期实验钟跃迁扫描的信噪比以及系统稳定度。

技术实现要素：

本实用新型所需要解决的技术问题在于克服上述不足，提供一种合理、结构简单、控制方便、高效的锶光钟系统磁光阱原子数稳定电路。

解决上述技术问题采用的技术方案是具有：实时监测原子数目的原子数监测电路，该电路的输入端接光电倍增管的输出端、输出端接反馈输出电路和示波器；参数设定电路，该电路的输入端接外部控制信号和内/外部控制转换TTL、输出端接反馈输出电路；反馈输出电路，该电路的输入端接反馈控制TTL、输出端接重泵浦光信号源。

本实用新型的参数设定电路为：单刀双掷开关K1的第一输入端接滑线变阻器R1的滑动端、第二输入端输入外部控制信号、第三输入端输入内/外控制转换TTL、输出端通过电阻R3接运算放大器U1的正相输入端，运算放大器U1的正相输入端接电容C1的一端并通过电阻R4和电阻R5接运算放大器U2的正相输入端、反相输入端接地、输出端接电容C1的另一端并通过电阻R5接运算放大器U2的正相输入端，运算放大器U2的正相输入端通过电阻R6接反馈输出电路、反相输入端接地、输出端接反馈输出电路，滑线变阻器R1的一固定端接5V电源的正极、另一固定端通过电阻R2接地；单刀双掷开关K1的型号为ADG419，运算放大器U1、运算放大器U2的型号为TL082。

本实用新型的原子数监测电路为：运算放大器U5的正相输入端接电容C2的一端并通过电阻R12和电阻R15接反馈输入电路、反相输入端接地，运算放大器U5的正相输入端通过电阻R11接滑线变阻器R10的滑动端和通过电阻R8接光电倍增管的输出端、输出端通过电阻R15接反馈输出电路并通过电阻R13接运算放大器U6的正相输入端和电容C2的另一端，运算放大器U6的正相输入端接电容C3的一端并通过电阻R14接运算放大器U6的输出端、反向输入端接地、输出端接示波器，滑线变阻器R10的一固定端通过电阻R9接5V电源的正极、另一固定端接地；运算放大器U5和运算放大器U6的型号为TL082。

本实用新型的反馈输出电路为：运算放大器U3的正相输入端通过电阻R7接运算放大器U2的输出端并通过电阻R16和电阻R17接运算放大器U4的正相输入端、反向输入端接地、输出端通过电阻R17接运算放大器U4的正相输入端。运算放大器U4的正相输入端接滑线变阻器R18的一固定端、反向输入端接地、输出端接滑线变阻器R18的另一固定端，运算放大器U7的正相输入端通过电阻R19接滑线变阻器R18的滑动端和电容C4的另一端、反向输入端接地、输出端接电容C4的另一端并通过电阻R20接运算放大器U8的正相输入端，运算放大器U8的正相输入端通过电阻R21接二极管D1的正极、反向输入端接地、输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接单刀双掷开关K2的第一输入端，单刀双掷开关K2的第二输入端接反馈控制TTL、第三输入端接外部信号输入、输出端接重泵浦光信号源；运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U7、运算放大器U8的型号为TL082，单刀双掷开关K2的型号为ADG419。

由于本实用新型采用原子数监测电路、参数设定电路、反馈输出电路，原子数监测电路实时监测原子数目，原子数稳定电路工作时只需要调节参数设定电路的变阻器数值来设定最终实验中磁光阱制备得到的原子数目的多少，设定电路的信号和原子数检测电路中的信号共同输入比对电路，通过时序信号的控制将输出的反馈信号输入到锶光钟系统中的重泵浦光对应的信号源，以此控制打入磁光阱中的重泵浦激光的功率来控制制备得到的冷原子数目，提高锶光钟系统的稳定度与信噪比。本实用新型设计合理、结构简单、成本低廉、稳定性好，可推广应用到磁光阱制备冷原子数目稳定控制领域。

附图说明

图1是本实用新型的电气原理方框图。

图2是本实用新型的电子线路原理图。

图3是本实用新型实验测试波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实用新型锶光钟系统磁光阱原子数稳定电路由原子数监测电路、参数设定电路、反馈输出电路连接构成，外部控制信号和内/外部控制转换TTL输入参数设定电路，参数设定电路的输出端接反馈输出电路，光电倍增管输出到原子数监测电路，原子数监测电路的输出端接示波器和反馈输出电路，反馈控制TTL输入到反馈输出电路，反馈输出电路输出到重泵浦光信号源。

在图2中，本实施例的参数设定电路由滑线变阻器R1、电阻R2～电阻R6、单刀双掷开关K1、运算放大器U1、运算放大器U2、电容C1连接构成，单刀双掷开关K1的型号为ADG419，运算放大器U1、运算放大器U2的型号为TL082。单刀双掷开关K1的第一输入端接滑线变阻器R1的滑动端、第二输入端输入外部控制信号、第三输入端输入内/外控制转换TTL、输出端通过电阻R3接运算放大器U1的正相输入端，运算放大器U1的正相输入端接电容C1的一端并通过电阻R4和电阻R5接运算放大器U2的正相输入端、反相输入端接地、输出端接电容C1的另一端并通过电阻R5接运算放大器U2的正相输入端，运算放大器U2的正相输入端通过电阻R6接反馈输出电路、反相输入端接地、输出端接反馈输出电路，滑线变阻器R1的一固定端接5V电源的正极、另一固定端通过电阻R2接地。本实施例的单刀双掷开关K1是一款单芯片CMOS单刀双掷(SPDT)开关，采用增强型LCMOS工艺设计，具有低功耗、高开关速度、低导通电阻和低泄漏电流特性，实际电路中我们可以改变输入单刀双掷开关K1中的TTL信号来改变输入电路的通道，实现电路参数设定的内设定和外设定，当输入的VcontrolExt/IntTTLswitch信号为高电平，开关接入内部控制信号，我们可以通过改变滑线变阻器R1的阻值，设定参数的设置电压；当输入的Vcontrol Ext/IntTTLswitch信号为低电平，开关接入外部可控信号VcontrolEXT，从而直接实现参数的外部控制。运算放大器U1、运算放大器U2是一通用的J-FET双运算放大器，具有较低的输入偏置电压和偏置电流，输出设有短路保护，输入极设有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路，具有较高的压摆率，最大工作电压为：Vccmax＝+-18V。运算放大器U1、电阻R3、电阻R4、电容C1连接实现低通滤波，有效滤除参数设定电路中的高频噪声信号。运算放大器U2、、电阻R5、电阻R6组成放大电路，将输入的负电压转变为正电压信号。

本实施例的原子数监测电路由运算放大器U5、运算放大器U6、电阻R8、电阻R9、滑线变阻器R10、电阻R11～电阻R15、电容C2、电容C3连接构成，运算放大器U5和运算放大器U6的型号为TL082。运算放大器U5的正相输入端接电容C2的一端并通过电阻R12和电阻R15接反馈输入电路、反相输入端接地，运算放大器U5的正相输入端通过电阻R11接滑线变阻器R10的滑动端和通过电阻R8接光电倍增管的输出端、输出端通过电阻R15接反馈输出电路并通过电阻R13接运算放大器U6的正相输入端和电容C2的另一端，运算放大器U6的正相输入端接电容C3的一端并通过电阻R14接运算放大器U6的输出端、反向输入端接地、输出端接示波器，滑线变阻器R10的一固定端通过电阻R9接5V电源的正极、另一固定端接地。光电倍增管用于采集磁光阱制备得到的原子的荧光，将荧光转变为电信号，从而可以由此衡量磁光阱俘获冷原子的能力，由于运算放大器在工作时内部本身存在一定的偏置电压，由于偏置电压的存在，当没有外加信号输入时运算放大器输出端依然会有一定的电压输出，因此会影响输出信号的准确度。所以电阻R9、电阻R11和滑线变阻器R10共同组成一个偏置电压调节电路，通过调节滑线变阻器R10的阻值，改变TL082输入端的电压，有效的消除偏置电压对输出信号的影响，提高信号采集的准确度。运算放大器U5、电阻R8、电阻R12、电容C2连接实现低通滤波，有效滤除光电倍增管采集到的荧光信号中的高频噪声，由于电路的反相放大使输出信号V2为负电压信号。运算放大器U6、电阻R13、电阻R14对电路再次进行低通滤波组成放大电路，并对输入的信号进行放大，便于输出信号接入示波器对探测到的荧光信号进行实时监测。

本实施例的反馈输出电路由运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U7、运算放大器U8、二极管D1、电阻R7、电阻R16、电阻R17、滑线变阻器R18、电阻R19～电阻R21、单刀双掷开关K2、电容C4连接构成，运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U7、运算放大器U8的型号为TL082，单刀双掷开关K2的型号为ADG419。运算放大器U3的正相输入端通过电阻R7接运算放大器U2的输出端并通过电阻R16和电阻R17接运算放大器U4的正相输入端、反向输入端接地、输出端通过电阻R17接运算放大器U4的正相输入端。运算放大器U4的正相输入端接滑线变阻器R18的一固定端、反向输入端接地、输出端接滑线变阻器R18的另一固定端，运算放大器U7的正相输入端通过电阻R19接滑线变阻器R18的滑动端和电容C4的另一端、反向输入端接地、输出端接电容C4的另一端并通过电阻R20接运算放大器U8的正相输入端，运算放大器U8的正相输入端通过电阻R21接二极管D1的正极、反向输入端接地、输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接单刀双掷开关K2的第一输入端，单刀双掷开关K2的第二输入端接反馈控制TTL、第三输入端接外部信号输入、输出端接重泵浦光信号源。本实施例的电阻R7和运算放大器U3共同组成一反相输入加法电路，参数设定电路的输出信号V1和原子数监测电路的输出电信号V2共同输入到运算放大器U3的正相输入端，加法电路输出V3＝V1+V2。由于输入信号V1为正电压信号，而V2为负电压信号，输出信号也可看作是两输入信号数值的绝对值的减法，即V3＝|V1|-|V2|，从而实现设定参数与实际测量数值的比对。当|V1|>|V2|时，原子数监测电路输出的信号的数值小于参数设定电路的输出信号，加法电路输出正电压信号；当|V1|<|V2|时，原子数监测电路输出的信号的数值大于参数设定电路的输出信号，加法电路输出负电压信号；本实施例中电阻R17、滑线变阻器R18、运算放大器U4组成反相放大电路，通过调节滑线变阻器R18的阻值可以改变放大电路的放大倍数，以此可以直接调节反馈信号输出的大小。电阻R19、电容C4和运算放大器U8组成积分电路，实现低通滤作用，有效滤除掉反馈输出电路中的高频噪声。为了防止反馈电路最终的输出信号过大，电阻R20、电阻R21和运算放大器U8组成反相放大电路，由于R21/R20＝3：1，输出电路反相放大-1/3倍；本实例的反馈输出电路中的二极管D1实现正向电压的单向导通。在时序信号控制稳定电路工作时，我们需要在探测到的冷原子的荧光信号强度大于设定的数值时，电路产生信号进行反馈输出，调节重泵浦光的功率，使荧光信号强度减弱达到设定参数的水平。在探测到的冷原子的荧光信号强度小于设定的数值时，稳定电路的输出信号不参与反馈，原子荧光数目继续增加直至达到所需水平。所以当原子数检测电路的输出信号的数值大于设定电路的输出信号数值，即|V2|>|V1|时，反馈输出电路的输出信号为正电压信号，由于输出信号为正电压，信号正向通过二极管D1，信号最终完成输出。当原子数检测电路的输出信号的数值小于设定电路的输出信号数值，即|V2|<|V1|时，反馈输出电路的输出信号为负电压信号，由于二极管D1的反响截止，输出信号无法输出，电路的输出信号不参与反馈。

单刀双掷开关K2和反馈控制TTL信号共同控制反馈输出电路的反馈输出。当反馈控制TTL信号为低电平时，TTL信号控制开关接入“外部输入”信号(Vext)，此时稳定电路不参与反馈，输出信号V＝Vext。当反馈控制TTL信号为高电平时，TTL信号控制开关接入反馈输出电路，此时电路实时输出反馈信号，反馈信号输入到锶光钟系统中的重泵浦光对应的信号源，以此控制进入磁光阱中的重泵浦激光的功率来控制制备得到的冷原子数目。

图3是锶光钟系统磁光阱俘获冷原子经光电倍增管(PMT)采集到的原子装载曲线，右图表示锶光钟系统在加入原子数稳定电路后的原子装载曲线，可以看出，在加入原子数稳定电路后，通过时序信号控制电路在原子装载过程中开始工作后，电路输出反馈信号，磁光阱俘获的原子数目稳定在我们所设定的水平上，从而实现对锶光钟系统冷原子数目的控制和稳定。