一种基于相干布居囚禁技术的铯束原子钟的制作方法

1.本发明涉及微波原子钟及量子频率标准技术领域，具体涉及一种基于相干布居囚禁技术的铯束原子钟。


背景技术：

2.原子钟是基于原子跃迁的标准时间频率信号发生器，是精度最高的计量仪器，作为一种国家战略资源，广泛应用于导航定位、授时等军民用领域。常见的原子钟有氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟，现有的铷原子钟尽管技术成熟，体积、重量都可以做得很小，如芯片铷钟的体积已经可以达到2cm3，但是作为二级频率标准，频率稳定度和准确度都较差，且需要定期校准，无法应用于要求高频率稳定度与准确度的场合。
3.而铯原子钟采用的是“原子束”技术，铯原子在高真空度的铯束管内以束状沿直线方向自由运行，原子可视为自由原子，没有了碰撞频移；且原子束运动方向与辐射场垂直，没有一阶多普勒频移；因此铯原子钟频率准确度高、长期稳定度好、没有漂移，是一级频率标准。
4.但目前的铯原子钟，如中国专利公开号cn107065502a公开的一种延长磁选态铯束管寿命的方法和磁选态铯原子钟，包括磁选态铯束管和频标电路；频标电路包括伺服模块、晶振、倍频综合模块；其特征在于，所述频标电路还包括电流放大模块和电压调节模块；所述电压调节模块，用于调节磁选态铯束管中电子倍增器的工作电压，使得电子倍增器起始输出电流为某一设定值i1；所述电流放大模块，用于对电子倍增器的输出电流进行放大；所述伺服模块接收电流放大模块放大后的电流，判断所接收电流值是否等于能够实现锁频的电流值i2；在不等于的情况下，发出指令给所述电压调节模块，对电子倍增器的工作电压做出相应调整，使得电流放大模块放大后的电流稳定在电流值i2。该铯原子钟通过降低倍增器输出电流的方式延长了其寿命，最终将铯钟的寿命提高一倍以上，但是，由于该铯原子钟使用了微波谐振腔，无论体积还是重量都很大，在很多要求小体积、轻量化的场景应用非常受限。
5.为了突破目前铯束原子钟体积、重量大的瓶颈，本发明提供一种能够减小了体积、重量，降低了制造成本的基于相干布居囚禁(cpt)技术的铯束原子钟结构。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于相干布居囚禁(cpt)技术的铯束原子钟，通结合相干布居囚禁技术和激光抽运铯钟优势的创新型铯束原子钟，具有稳定度好，没有碰撞频移，准确度高等诸多优点；同时相对于传统的激光抽运铯钟，省去了微波谐振腔，大大降低铯束管的制造难度，因而减小了体积，降低了成本。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.一种基于相干布居囚禁技术的铯束原子钟，包括激光器、光隔离器、声光移频器、光调制器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、第四分光器、光电探测器、第一1/4波片、
第二1/4波片、第三1/4波片、第四1/4波片、第一反射镜、第二反射镜、铯束管、荧光收集器、铯原子光谱稳频装置、激光鉴相及伺服锁定电路、激光驱动电路、微波鉴相及伺服锁定电路、以及微波频率综合器；
9.所述激光器的光输出端与光隔离器的光输入端相连，所述光隔离器的光输出端与第一分光器的光输入端相连，第一分光器的反射光输出端与第四分光器的光输入端相连，第四分光器的反射光输出端与铯原子光谱稳频装置的光输入端相连，铯原子光谱稳频装置将激光原路返回至第四分光器的光输入端；所述第四分光器的透射光输出端与光电探测器的光输入端相连，光电探测器的输出端与激光鉴相及锁定电路的电输入端相连，所述激光鉴相及锁定电路的第一电输出端与铯原子光谱稳频装置的电输入端相连，所述激光鉴相及锁定电路的第二电输出端与激光器驱动电路的电输入端相连，所述激光器驱动电路的电输出端与激光器电输入端相连；
10.所述第一分光器的透射光输出端与声光移频器的光输入端相连，所述声光移频器的光输出端与光调制器的光输入端相连，所述光调制器的光输出端与第二分光器的光输入端相连，第二分光器的反射光输出端与第一1/4波片的光输入端相连，第一1/4波片的光输出端与铯束管的泵浦光输入端相连，铯束管的泵浦光输出端与第三1/4波片的光输入端相连，第三1/4波片的光输出端与第二反射镜的光输入端相连；所述第二分光器的透射光输出端与第三分光器的光输入端相连，第三分光器的反射光输出端与第二1/4波片的光输入端相连，第二1/4波片的光输出端与铯束管的探测光输入端相连，铯束管的探测光输出端与第四1/4波片的光输入端相连，第四1/4波片的光输出端与第一反射镜的光输入端相连；荧光收集器用于收集铯束管中铯原子束发出的荧光信号，荧光收集器的输出端与所述微波鉴相及伺服锁定电路的电输入端相连，所述微波鉴相及伺服锁定电路的电输出端与微波频率综合器的电输入端相连，所述微波频率综合器的第一电输出端与光调制器的驱动电输入端相连，微波频率综合器的第二电输出端输出标准频率信号。
11.进一步地，所述第一分光器、第二分光器、第三分光器、第四分光器分别为分束立方棱镜。在实际使用过程中，利用激光器、光隔离器、第一分光器、第四分光器、铯原子光谱稳频装置、光电探测器、激光鉴相及伺服锁定电路、以及激光器驱动电路构成激光器的光谱稳频锁定光电环路，将激光器的频率锁定在铯原子精细能级跃迁谱线频率上；通过光调制器、第二分光器和第三分光器配合产生两束的双色高相位相干的激光场用于制备铯原子的相干布居囚禁(cpt)态，省去了微波谐振腔，大大降低铯束管的制造难度，因而减小了体积、重量，降低了制造成本；再通过使用1/4波片将两束相位相干的cpt光场的偏振变为交替的左旋圆偏光和右旋圆偏光与铯原子束发生相互作用，可以获得高对比度的cpt信号，同时对磁场变化不敏感，且具有更小的频移系数。
12.进一步地，所述第一分光器、第二分光器、第三分光器、第四分光器分别为半波片与偏振分束立方棱镜的组合。利用半波片与偏振分束立方棱镜的组合，可以将激光光束根据所需要的光功率大小按照一定比例分为透射光束和反射光束，以实现分光功能。
13.进一步地，所述铯原子光谱稳频装置为铯原子饱和吸收光谱稳频装置、或铯原子调制转移光谱稳频装置。
14.进一步地，所述光调制器为电光调制器或声光调制器。
15.进一步地，所述光调制器为电光调制器，在使用全宽调制时，电光调制器的驱动频
率为铯原子基态能级6s1/2f＝3
–
6p1/2f＝4跃迁频率。
16.进一步地，所述光调制器为电光调制器，在使用半宽调制时，电光调制器的驱动频率为铯原子基态能级6s1/2f＝3
–
6p1/2f＝4跃迁频率的一半。
17.进一步地，所述光调制器为声光调制器，声光调制器的驱动频率为铯原子基态能级6s1/2f＝4
–
6p1/2f＝4跃迁频率。
18.进一步地，所述铯束管包括铯炉、吸铯剂、光窗、c场线圈、补偿线圈和磁屏蔽。
19.进一步地，所述铯束管为真空结构。
20.进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜分别为零度反射镜。
21.本发明的有益效果是：本发明提出的基于相干布居囚禁技术的铯束原子钟，通过光调制器、第二分光器和第三分光器配合产生两束的双色高相位相干的激光场用于制备铯原子的相干布居囚禁(cpt)态，省去了微波谐振腔，大大降低铯束管的制造难度，因而减小了体积、重量，降低了制造成本；再通过使用1/4波片将两束相位相干的cpt光场的偏振变为交替的左旋圆偏光和右旋圆偏光与铯原子束发生相互作用，可以获得高对比度的cpt信号，同时对磁场变化不敏感，且具有更小的频移系数。
附图说明
22.图1为本发明铯束原子钟的结构示意图；
23.图中，1、激光器；2、光隔离器；3、第一分光器；4、声光移频器；5、光调制器；6、第二分光器；7、第三分光器；8、第一1/4波片；9、第二1/4波片；10、铯原子光谱稳频装置；11、第四分光器；12、光电探测器；13、激光驱动电路；14、激光鉴相及伺服锁定电路；15、铯束管；16、荧光收集器；17、第三1/4波片；18、第四1/4波片；19、第一反射镜；20、第二反射镜；21、微波鉴相及伺服锁定电路；22、微波频率综合器。
具体实施方式
24.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
25.如图1所示，一种基于相干布居囚禁技术的铯束原子钟，包括激光器1、光隔离器2、声光移频器4、光调制器5、第一分光器3、第二分光器6、第三分光器7、第四分光器11、光电探测器12、第一1/4波片8、第二1/4波片9、第三1/4波片17、第四1/4波片18、第一零度反射镜19、第二零度反射镜20、铯束管15、荧光收集器16、铯原子光谱稳频装置10、激光鉴相及伺服锁定电路14、激光驱动电路13、微波鉴相及伺服锁定电路21、以及微波频率综合器22；
26.所述激光器1的光输出端与光隔离器2的光输入端相连，所述光隔离器2的光输出端与第一分光器3的光输入端相连，第一分光器3的反射光输出端与第四分光器11的光输入端相连，第四分光器11的反射光输出端与铯原子光谱稳频装置10的光输入端相连，铯原子光谱稳频装置10将激光原路返回至第四分光器11的光输入端；所述第四分光器11的透射光输出端与光电探测器12的光输入端相连，光电探测器12的输出端与激光鉴相及锁定电路14的电输入端相连，所述激光鉴相及锁定电路14的第一电输出端与铯原子光谱稳频装置10的电输入端相连，所述激光鉴相及锁定电路14的第二电输出端与激光器驱动电路13的电输入端相连，所述激光器驱动电路13的电输出端与激光器1电输入端相连；
27.所述第一分光器3的透射光输出端与声光移频器4的光输入端相连，所述声光移频器4的光输出端与光调制器5的光输入端相连，所述光调制器5的光输出端与第二分光器6的光输入端相连，第二分光器6的反射光输出端与第一1/4波片8的光输入端相连，第一1/4波片8的光输出端与铯束管15的泵浦光输入端相连，铯束管15的泵浦光输出端与第三1/4波片17的光输入端相连，第三1/4波片17的光输出端与第二反射镜20的光输入端相连；所述第二分光器6的透射光输出端与第三分光器7的光输入端相连，第三分光器7的反射光输出端与第二1/4波片9的光输入端相连，第二1/4波片9的光输出端与铯束管15的探测光输入端相连，铯束管15的探测光输出端与第四1/4波片18的光输入端相连，第四1/4波片18的光输出端与第一反射镜19的光输入端相连；荧光收集器16用于收集铯束管15中铯原子束发出的荧光信号，荧光收集器16的输出端与所述微波鉴相及伺服锁定电路21的电输入端相连，所述微波鉴相及伺服锁定电路21的电输出端与微波频率综合器22的电输入端相连，所述微波频率综合器22的第一电输出端与光调制器5的驱动电输入端相连，微波频率综合器22的第二电输出端输出标准频率信号。
28.具体地，所述第一分光器3、第二分光器6、第三分光器7、第四分光器11分别为分束立方棱镜。在实际使用过程中，利用激光器1、光隔离器2、第一分光器3、第四分光器11、铯原子光谱稳频装置10、光电探测器12、激光鉴相及伺服锁定电路14、以及激光器驱动电路13构成激光器的光谱稳频锁定光电环路，将激光器1的频率锁定在铯原子精细能级跃迁谱线频率上；通过光调制器5、第二分光器6和第三分光器7配合产生两束的双色高相位相干的激光场用于制备铯原子的相干布居囚禁(cpt)态，省去了微波谐振腔，大大降低铯束管15的制造难度，因而减小了体积、重量，降低了制造成本；再通过使用1/4波片将两束相位相干的cpt光场的偏振变为交替的左旋圆偏光和右旋圆偏光与铯原子束发生相互作用，可以获得高对比度的cpt信号，同时对磁场变化不敏感，且具有更小的频移系数。
29.具体地，所述第一分光器3、第二分光器6、第三分光器7、第四分光器11分别为半波片与偏振分束立方棱镜的组合。利用半波片与偏振分束立方棱镜的组合，可以将激光光束根据所需要的光功率大小按照一定比例分为透射光束和反射光束，以实现分光功能。
30.具体地，所述铯原子光谱稳频装置10为铯原子饱和吸收光谱稳频装置、或铯原子调制转移光谱稳频装置。
31.具体地，所述光调制器5为电光调制器或声光调制器。
32.具体地，所述光调制器5为电光调制器，在使用全宽调制时，电光调制器的驱动频率为铯原子基态能级6s1/2f＝3
–
6p1/2f＝4跃迁频率。
33.具体地，所述光调制器5为电光调制器，在使用半宽调制时，电光调制器的驱动频率为铯原子基态能级6s1/2f＝3
–
6p1/2f＝4跃迁频率的一半。
34.具体地，所述光调制器5为声光调制器，声光调制器的驱动频率为铯原子基态能级6s1/2f＝4
–
6p1/2f＝4跃迁频率。
35.具体地，所述铯束管15包括铯炉、吸铯剂、光窗、c场线圈、补偿线圈和磁屏蔽。
36.具体地，所述铯束管15为真空结构。
37.具体地，所述第一反射镜19、第二反射镜20分别为零度反射镜。
38.使用时，激光器1发出的激光经过光隔离器2之后进入第一分束立方棱镜(bs)后分为功率不等的两束激光，其中反射光束进入第四分束立方棱镜(bs)，又被分为功率不等的
两束激光，其中反射光束进入铯原子调制转移光谱稳频装置后输出一部分激光经过第四分束立方棱镜(bs)被光电探测器12接收，光电信号进入激光鉴相及伺服电路14处理后得到误差反馈信号；误差反馈信号进入激光驱动电路13得到电流信号，控制激光器1的驱动电流进而控制激光器的输出频率；因此激光器1、光隔离2、第一分光器3、第四分光器11、铯原子光谱稳频装置10、光电探测器12、激光鉴相及伺服锁定电路14及激光器驱动电路13等构成激光器的光谱稳频锁定的光电环路，将激光器的频率锁定在铯原子精细能级跃迁谱线频率(ω)上；
39.第一分束立方棱镜(bs)的透射光束进入声光移频器4，然后进入电光调制器，在一个优选实施例中，电光调制器产生两束的双色高相位相干的激光场，用于制备铯原子的相干布居囚禁(cpt)态；电光调制器采用半宽调制，即驱动频率为铯原子基态能级6s1/2f＝3
–
6p1/2f＝4跃迁频率(ω)的一半，ω/2；因此电光调制器输出的光场中包含ω、ω
±
ω/2三种频率的光；进入第二分束立方棱镜(bs)分为功率不等的两束，其中反射光束通过第一1/4波片8，光的偏振状态由线偏振变为左旋圆偏振，然后进入铯束管15的泵浦光窗，与铯原子束流相互作用后入射到第三1/4波片17，光的偏振状态由左旋圆偏振变为线偏振，从第三1/4波片17出射的光进入第二零度反射镜上，反射后沿原路返回再次进入第三1/4波片17，光的偏振状态由线偏振变为右旋圆偏振，再次进入铯束管15与铯原子束流相互作用；第二分束立方棱镜的透射光束进入第三分束立方棱镜(bs)，分为功率不等的两束，其中反射光束通过第二1/4波片9后，光的偏振状态由线偏振变为左旋圆偏振，然后进入铯束管15的探测光窗，与铯原子束流相互作用后入射到第四1/4波片18，光的偏振状态由左旋圆偏振变为线偏振，从第四1/4波片18出射的光进入第一零度反射镜，反射后沿原路返回再次进入第四1/4波片18，光的偏振状态由线偏振变为右旋圆偏振，再次进入铯束管15与铯原子束流相互作用；荧光收集器16探测收集铯原子束流的荧光信号进入微波鉴相及锁定电路21，输出误差信号进入微波频率综合器22，微波频率综合器22的第一电输出端输出频率为ω/2的微波信号驱动电光调制器，第二电输出端输出标准原子钟频率信号。
40.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。