微波相位调制锁定原子钟的制作方法
【专利摘要】一种微波相位调制锁定原子钟，其构成包括受控晶振、倍频综合器、调制振荡器、时序发生器、量子系统、数据采集处理器和比例积分微分控制器，特点在于所述的调制振荡器为微波相位调制振荡器，本发明原子钟微波频率不变，有助于提高原子钟跃迁信噪比，进而提高了原子钟的频率稳定度。
【专利说明】微波相位调制锁定原子钟
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波原子钟，特别是一种微波相位调制锁定原子钟。
【背景技术】
[0002]原子钟的发展历史最早可以追溯到第二次世界大战前后。其主要得益于当时量子力学和微波波谱学的快速发展。早期的微波钟使用的是非相干光源做抽运光和探测光，其后随着激光器的发展，激光选态和检测方法被应用到原子钟研究，以期得到更好的效果。铷原子频标由于短期稳定度高、体积小巧和便于携带的特点而得到了广泛的应用。现有的脉冲光抽运原子频标采用三能级结构，如图1所示。比如说，当原子钟使用87Rb原子介质时，利用激光01和微波诱导跃迁02在时间上分开的技术(分离振荡场技术)。先利用激光01将能级03(|531/2{ = 2>)上的原子抽空，原子气体就不再吸收激光01。这时再加上微波Ramsey作用(两个在时间上分开的微波脉冲)，使原子在能级03和能级04 (| 5S1/2, F = I?之间发生磁偶极跃迁，激光01的抽运作用时序05，微波作用时序06，微波作用完后进行激光吸收法探测，得到发生钟跃迁的信息。跃迁过程使一部分原子被抽运到能级03上，造成能级03上原子布居数的改变，能级03上的原子布居数随着微波频率失谐的改变而改变，从而携带Ramsey条纹。如果微波频率与钟跃迁频率严格共振，则正负失谐得到的信号相等，误差信号为零。一旦微波频率稍微离开共振处，则正负失谐得到的钟跃迁信号不相等，做差可以得到误差信号，它可以作为锁定本地晶体振荡用的反馈信号。
[0003]现有的非自激型分离振荡场技术原子钟的结构环路方框图如图2所示。其原理是受控晶振I作为初始信号源，由第一输出端提供标准频率输出和第二输出端提供激励输出到倍频综合器2的第一输入端。调制振荡器3的输入端与时序发生器4的输出端相连，接受时序控制进行正负跳频，时序发生器4在前半个周期内进行正跳频，在后半个周期内进行负跳频。调制振荡器3通过输出端把信号输入到倍频综合器2的第二输入端，再与受控晶振I的第二输出端提供的激励信号在倍频综合器2中进行调制，从而使激励跃迁频率在原子跃迁频率上有一个小的正负跳频，并从倍频综合器2的输出端输出进入到量子系统5。如果倍频综合器2的输出端输出的激励信号的频率和量子系统5的本身的跃迁谱线中心频率不相等时，经过量子系统5后得到不同的信号强度，一个周期内两次信号都由量子系统5的输出端输出到数据采集处理器6的输入端，数据采集处理器6将两次得到的信号做差得到误差信号，从输出端输出到比例积分微分控制器7的输入端。比例积分微分控制器7将信号处理后由输出端输出到受控晶振I的输入端，以调整其频率，使之与跃迁谱线中心频率相等。当受控晶振I与跃迁谱线中心频率吻合时，数据采集处理器6不再给出误差信号，受控晶振I保持稳定。
[0004]所述的量子系统5产生纠偏电压的过程如图3所示。量子系统的Ramsey曲线的中心条纹区域处，当受控晶振I的频率经倍频综合器2的输出端输出的激励信号的中心频率和量子系统5的本身的跃迁谱线中心频率相等时，也即微波频率处于横坐标11处时，再经过调制振荡器3的正负跳频，当正跳频时，微波频率处于横坐标12处，经过一个Ramsey微波探询，得到的钟跃迁信号处于纵坐标14处，负跳频时，微波频率处于横坐标13处，经过Ramsey微波探询，得到的钟跃迁信号大小处于纵坐标14处，两者大小相等，产生的误差信号为零。当受控晶振I的频率离开中心频率时，经过倍频综合器2后，假设其频率向右离开原子的中心频率,处于横坐标15处，正跳频时，微波频率处于16处，经过Ramsey微波探询，利用激光探测得到的钟跃迁信号大小处于纵坐标17处；负跳频时，微波频率处于18处，经过Ramsey微波探询，利用激光探测得到的钟跃迁信号大小处于纵坐标19处，将17处的信号与19处的信号在数据采集处理器6作差后得到负的误差信号，经过比例积分微分控制器7处理放大后，反馈到受控晶振1，使其频率降低。同样地，当微波频率向左离开原子的中心频率，量子系统5给出正的反馈电压使其频率回到中心处，以保证受控晶振I的稳定性。
[0005]钟跃迁信号依赖于微波与原子相互作用，这种作用是在微波腔中进行的，因而任何影响到微波与原子作用强度的因素都会对原子钟的性能产生影响。比如，微波的频率，当微波频率正负失谐相等时，理论上微波与原子的作用强度相等，但是由于微波腔的共振中心与原子的谱线中心频率可能不严格相等，因而其耦合强度可能不同，也即产生腔相移?’另一个原因是原子的速度分速度会产生不同的失谐使微波相对其中心频率偏开，理论上的正负失谐的作用强度不再相等，从而影响钟跃迁信号，进而影响原子钟性能。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种微波相位调制锁定原子钟，该原子钟没有微波频率失谐，有助于提高钟跃迁信噪比，提高了原子钟的频率稳定度。
[0007]本发明的技术解决方案如下:
[0008]一种微波相位调制锁定原子钟，其构成包括受控晶振、倍频综合器、调制振荡器、时序发生器、量子系统、数据采集处理器和比例积分微分控制器，其特征在于所述的调制振荡器为微波相位调制振荡器，所述的受控晶振的输入端与所述的比例积分微分控制器的输出端相连，所述的受控晶振第一输出端提供标准频率输出，所述的受控晶振第二输出端与所述的倍频综合器的第一输入端相连；所述的倍频综合器的第一输入端与所述的受控晶振的第二输出端相连，所述的倍频综合器的第二输入端与所述的调制振荡器的输出端相连；所述的调制振荡器的输入端与所述的时序发生器的输出端相连；所述的调制振荡器的输出端与所述的倍频综合器第二输入端相连；所述倍频综合器的输出端与所述的量子系统的输入端相连；所述的量子系统输出端与所述的数据采集处理器的输入端相连，所述的数据采集处理器输出端与所述的比例积分微分控制器的输入端相连；所述的比例积分微分控制器的输出端与所述的受控晶振的输入端相连，所述的时序发生器使所述的微波相位调制振荡器在一个周期内按0°?+ θ?0°?-Θ相位变化输出调制信号对所述的倍频综合器输出的微波信号的相位进行调制，调制以后的微波信号与原子相互作用，利用激光的吸收法进行探测，在微波与原子共振处，微波相位+Θ调制得到的信号与微波相位-Θ调制得到的信号经过所述的数据采集处理器采集做差后得到误差信号，该误差信号再经所述的比例积分微分控制器处理后输入所述的受控晶振，使所述的受控晶振的频率得到稳定控制，所述的Θ的变化范围的绝对值是10°?90°。
[0009]所述的Θ的绝对值为90°。
[0010]本发明的技术效果如下:
[0011]首先是保持与原子作用的微波频率不变，微波与原子的中心频率一直共振，因而可以消除微波共振谱线不对称，消除原子速度分布的影响。
[0012]其次，所述的时序发生器(4)在一个周期内是按0°?+ θ?0°?-Θ变化的，所述的Θ的变化范围的绝对值是10°?90°。
[0013]再次，微波与原子的中心频率一直共振，没有频率失谐，因而微波与原子作用有效拉比频率小，有助于提高钟跃迁信噪比。可以提高受控晶振的稳定度，也即原子钟的频率稳定度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是现有的光抽运原子频标的二能级结构和微波脉冲频率变化不意图
[0015]图2是现有原子钟的环路框图
[0016]图3是现有原子钟的量子系统4产生误差信号示意图
[0017]图4是三能级结构及作用的微波脉冲相位变化示意图
[0018]图5是通过微波相位调制锁定原子钟的量子系统4产生误差信号示意图
【具体实施方式】
[0019]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0020]先请参阅图2，图2是原子钟的环路框图。由图可见，本发明微波相位调制锁定原子钟的构成包括受控晶振I，倍频综合器2，微波相位调制振荡器3，时序发生器4、量子系统5、数据采集处理器6和比例积分微分控制器7，上述部件的连接关系如下:
[0021]所述的受控晶振I作为初始信号源，由一个输入端和两个输出端构成，所述的受控晶振I的输入端与所述的比例积分微分控制器8的输出端相连，接受直流纠偏电压，所述的受控晶振I第一输出端提供标准频率输出，第二输出端提供激励输出，与所述的倍频综合器2第一输入端相连。所述的倍频综合器2具有两个输入端和一个输出端，所述的倍频综合器2第一输入端与所述的受控晶振I第二输出端相连，所述的倍频综合器2的第二输入端与所述的微波相位调制振荡器3的输出端相连。所述倍频综合器2的输出端与所述的量子系统5的输入端相连。所述的微波相位调制振荡器3具有一个输入端和一个输出端，所述的微波相位调制振荡器3的输入端与所述的时序发生器4的输出端相连。所述的微波相位调制振荡器3的输出端与所述的倍频综合器2的第二输入端相连。所述的时序发生器4的输出端与所述的微波相位调制振荡器3的输入端相连。所述的量子系统5具有一个输入端和一个输出端，所述的量子系统5的输入端与所述的倍频综合器2的输出端相连，所述的量子系统5的输出端与所述的数据采集处理器6的输入端相连。所述的数据采集处理器6具有一个输入端和一个输出端，所述的数据采集处理器6的输入端与所述的量子系统5的输出端相连，所述的数据采集处理器6的输出端与所述的比例积分微分控制器7的输入端相连。所述的比例积分微分控制器7具有一个输入端和一个输出端，所述的比例积分微分控制器7的输入端与所述的数据采集处理器6的输出端相连。所述的比例积分微分控制器7的输出端与所述的受控晶振I的输入端相连。
[0022]所述的量子系统5产生误差信号的过程如图4和图5所示。
[0023]1.利用激光01将能级03(|5S1/2，F = 2?上的原子抽空，关闭激光01，这时再加上微波02，先作用第一微波脉冲，其相位为0°，第一微波脉冲作用完后，关闭微波02，原子自由演化，经过自由演化时间以后，作用第二微波脉冲，此时第二个微波脉冲的相位由所述的微波相位调制振荡器3所改变，与第一微波脉冲的相位相差为+ Θ °，当第二个微波脉冲作用完后，再利用所述的量子系统5里的激光01进行吸收法探测，探测到能级03上钟跃迁概率，得到发生钟跃迁的信息，输出到所述的数据采集处理器6。此时相对于原子来说，相当于其Ramsey条纹相对于0°?0° (两个微波脉冲相位都为0° )发生了正向移动，对应于图5中Ramsey条纹由21处移动到22处；
[0024]2.上一次钟跃迁探测完成以后，继续进行激光01抽运，将能级03 (I 5S1/2, F = 2?上的原子抽空，关闭激光01，这时再加上微波02，先作用第一微波脉冲，其相位定为0°，第一微波脉冲作用完后，关闭微波02，原子自由演化，经过自由演化时间以后，作用第二微波脉冲，此时第二微波脉冲的相位由所述的微波相位调制振荡器3所改变，与第一微波脉冲的相位相差-Θ，当第二微波脉冲作用完后，再利用所述的量子系统5里的激光01进行能级03上钟跃迁概率的探测，得到发生钟跃迁的信息，输出到所述的数据采集处理器6。此时相对于原子来说，相当于其Ramsey条纹(微波脉冲0° -0°作用的情况)发生了反向移动，对应于图5中Ramsey条纹由21处移动到23处；
[0025]3.激光01的时序图为05，微波时序图以及微波相位时序图为06。当微波频率与原子跃迁共振时，也即其频率处于横坐标24处，由两种微波脉冲相位:0°?+ Θ和0°?-Θ作用得到的钟跃迁的信号大小都处于纵坐标25处，此时经过所述的数据采集处理器6后得到的误差信号为零。
[0026]4.当微波的频率由于外部扰动，离开原子跃迁共振点时，比如微波频率向右偏离，处于横坐标26处，由两种微波脉冲相位:0°?+ Θ和0°?-Θ作用得到的钟跃迁的信号大小分别对应于图5中纵坐标28和27处，此时由所述的数据采集处理器6做差得到误差信号，再通过所述的比例积分微分控制器7放大后，加到所述的受控晶振I上，使所述的受控晶振I的频率回到中心频率处，进而锁定原子钟的频率。回到中心频率的受控晶振的频率经倍频后与原子谱线重合，不再产生误差信号，直到下一次微扰使其发生移动。
[0027]5.当微波的频率由于外部扰动，离开原子跃迁共振点时，比如微波频率向左偏离时，由两种微波脉冲相位:0°?+ Θ和0°?-Θ作用得到的钟跃迁的信号，由所述的数据采集处理器6做差得到误差信号，通过所述的比例积分微分控制器7放大后，加到所述的受控晶振I上，使所述的受控晶振I的频率回到中心频率处，进而锁定原子钟的频率。回到中心频率的受控晶振的频率经倍频后与原子谱线重合，不再产生误差信号，直到下一次微扰使其发生移动。
[0028]6.在一个周期内，所述的微波相位调制振荡器3接受所述的时序发生器4的时序控制，使微波脉冲的相位变化为0°?+ θ°?0°?-θ°，分别对应于前一个Ramsey探询原子时，第一个微波脉冲相位为0° ,第二个微波脉冲相位为+ Θ ;后一个Ramsey探询原子时，第一个微波脉冲相位为0°，第二个微波脉冲相位为-Θ。如此周期循环。
[0029]实验表明本发明原子钟微波频率不变，提高了原子钟跃迁信噪比，进而提高了原子钟的频率稳定度。
【权利要求】
1.一种微波相位调制锁定原子钟，其构成包括受控晶振(I)、倍频综合器(2)、调制振荡器(3)、时序发生器(4)、量子系统(5)、数据采集处理器(6)和比例积分微分控制器(7)，其特征在于所述的调制振荡器(3)为微波相位调制振荡器，所述的受控晶振(I)的输入端与所述的比例积分微分控制器(7)的输出端相连，所述的受控晶振(I)第一输出端提供标准频率输出，所述的受控晶振(I)第二输出端与所述的倍频综合器(2)的第一输入端相连；所述的倍频综合器(2)的第一输入端与所述的受控晶振(I)的第二输出端相连，所述的倍频综合器(2)的第二输入端与所述的调制振荡器(3)的输出端相连；所述的调制振荡器(3)的输入端与所述的时序发生器(4)的输出端相连；所述的调制振荡器(3)的输出端与所述的倍频综合器(2)第二输入端相连；所述倍频综合器(2)的输出端与所述的量子系统(5)的输入端相连；所述的量子系统(5)输出端与所述的数据采集处理器￠)的输入端相连，所述的数据采集处理器(6)输出端与所述的比例积分微分控制器(7)的输入端相连；所述的比例积分微分控制器(7)的输出端与所述的受控晶振⑴的输入端相连，所述的时序发生器(4)使所述的微波相位调制振荡器在一个周期内按0°?+ θ?0°?-Θ相位变化输出调制信号对所述的倍频综合器(2)输出的微波信号的相位进行调制，调制以后的微波信号与原子相互作用，利用激光的吸收法进行探测，在微波与原子共振处，微波相位+ Θ调制得到的信号与微波相位-Θ调制得到的信号经过所述的数据采集处理器(6)采集做差后得到误差信号，该误差信号再经所述的比例积分微分控制器(7)处理后输入所述的受控晶振(1)，使所述的受控晶振(I)的频率得到稳定控制，所述的Θ的变化范围的绝对值是10。?90°。
2.根据权利要求1所述的微波相位调制锁定原子钟，其特征在于所述的Θ的绝对值为90。。
【文档编号】H03L7/26GK104467838SQ201410698258
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】林锦达, 邓见辽, 董功勋, 王育竹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所