相干布居囚禁原子频标及提高其短期稳定度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种相干布居囚禁原子频标及提高其短期稳定度的方法，属于原子频标领域。所述原子频标包括：压控晶振；线偏振激励单元，用于根据压控晶振的输出频率产生微波探寻信号；物理单元，用于在微波探寻信号的作用产生光检信号；伺服环路，用于对光检信号进行同步鉴相产生同步鉴相信号；控制单元，用于根据同步鉴相信号产生纠偏电压作用在压控晶振上；系统驰豫时间检测单元，用于检测原子频标的系统驰豫时间Δt；控制单元，还用于根据系统驰豫时间Δt对物理单元中的光开关和伺服环路进行时序控制，在控制物理单元中的光开关打开之后N个Δt时间长度后，控制伺服环路对物理单元产生的光检信号进行同步鉴相。
【专利说明】相干布居囚禁原子频标及提高其短期稳定度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种相干布居囚禁原子频标及提高其短期稳定度的方法。
【背景技术】
[0002]相干布居囚禁(英文:Coherent Populat1n Trapping,简称:CPT)原子频标是利用原子与相干激光相互作用所产生的一种量子干涉现象而实现的一种新型原子频标，也是目前从原理上唯一可实现微型化的原子频标，其体积、功耗均比氢原子频标、铯原子频标要小，甚至与目前体积、功耗最小的铷原子频标相比还要小得多。
[0003]CPT原子频标的原理是利用微波对激光调制获得双色相干激光与原子作用，当双色相干激光频率之差等于原子的基态两个超精细能级频率差时，原子被制备成CPT态而对光的吸收减弱，激光光强将从原子对激光的吸收谱中获得光强极大值，即电磁感应透明(英文:Electromagnetically Induced Transparency,简称:EIT)谱线，然后米用 EIT谱线作为鉴频谱线去锁定压控晶振。CPT原子频标主要由电子线路和物理单元两个部分构成。电子线路的作用是产生作用于激光器的携带有调制信息的微波探寻信号，电子线路还对物理单元输出的携带鉴频信息的光检信号进行同步鉴相产生同步鉴相信号作用在压控晶振上。物理单元的作用是在微波探寻信号的作用下产生具有鉴频特效的光检信号。
[0004]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]在双色相干激光与原子作用时，大量原子积聚于基态超精细子能级态，形成极化暗态现象而不能参与CPT原子态的制备，进而影响CPT原子频标的系统信噪比，不利于CPT原子频标的系统的短期稳定度。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种相干布居囚禁原子频标及提高其短期稳定度的方法。所述技术方案如下:
[0007]一方面，本发明实施例提供了一种相干布居囚禁原子频标，所述原子频标包括:
[0008]压控晶振；
[0009]线偏振激励单元，用于根据所述压控晶振的输出频率产生微波探寻信号；
[0010]物理单元，用于在所述微波探寻信号的调制作用下产生双色相干激光，所述双色相干激光与原子作用产生光检信号；
[0011]伺服环路，用于对所述光检信号进行同步鉴相产生同步鉴相信号；
[0012]控制单元，用于根据所述同步鉴相信号产生纠偏电压作用在所述压控晶振上；
[0013]系统驰豫时间检测单元，用于检测所述原子频标的系统驰豫时间At ;
[0014]所述控制单元，还用于根据系统驰豫时间At对所述物理单元中的光开关和所述伺服环路进行时序控制，在控制所述物理单元中的光开关打开之后N个At时间长度后，控制所述伺服环路对所述物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，N为大于O的奇数。
[0015]在本发明实施例的一种实现方式中，所述N为3或5。
[0016]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统驰豫时间检测单元包括:
[0017]环形振荡器，用于接收所述伺服环路的输出信号，并将所述伺服环路的输出信号反相后输出；
[0018]执行子单元，用于根据所述环形振荡器的输出信号动作，控制所述物理单元中的光开关的开关；
[0019]检测子单元，用于根据所述环形振荡器的输出信号测量所述原子频标的振荡周期；
[0020]获取子单元，用于获取所述环形振荡器的振荡周期；
[0021]计算子单元，用于根据所述原子频标的振荡周期和所述环形振荡器的振荡周期计算所述原子频标的系统驰豫时间。
[0022]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述环形振荡器由奇数个非门构成且所述非门至少为3个。
[0023]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述计算子单元，用于根据以下公式计算所述原子频标的系统驰豫时间:At = (Tl-TO)/2 ；
[0024]其中，At为系统驰豫时间，Tl为所述原子频标的振荡周期，TO为所述环形振荡器的振荡周期。
[0025]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述光开关为高速快门Shutter。
[0026]另一方面，本发明实施例还提供了一种提高相干布居囚禁原子频标短期稳定度的方法，所述方法包括:
[0027]检测原子频标的系统驰豫时间At;
[0028]采用压控晶振的输出频率产生微波探寻信号；
[0029]在所述微波探寻信号的调制作用下产生双色相干激光，所述双色相干激光与原子作用产生光检信号；
[0030]在控制物理单元中的光开关打开之后N个At时间长度后，控制伺服环路对所述物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，产生同步鉴相信号，N为大于O的奇数；
[0031]根据所述同步鉴相信号产生纠偏电压作用在所述压控晶振上。
[0032]在本发明实施例的一种实现方式中，所述N为3或5。
[0033]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述检测原子频标的系统驰豫时间At，包括:
[0034]采用环形振荡器接收所述伺服环路的输出信号，并将所述伺服环路的输出信号反相后输出；
[0035]根据所述环形振荡器的输出信号动作，控制所述物理单元中的光开关的开关；
[0036]根据所述环形振荡器的输出信号测量所述原子频标的振荡周期；
[0037]获取所述环形振荡器的振荡周期；
[0038]根据所述原子频标的振荡周期和所述环形振荡器的振荡周期计算所述原子频标的系统驰豫时间。
[0039]在本发明实施例的另一种实现方式中，所述根据所述原子频标的振荡周期和所述环形振荡器的振荡周期计算所述原子频标的系统驰豫时间，包括:
[0040]根据以下公式计算所述原子频标的系统驰豫时间:At = (Tl-TO)/2 ；
[0041]其中，At为系统驰豫时间，Tl为所述原子频标的振荡周期，TO为所述环形振荡器的振荡周期。
[0042]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0043]通过测量原子频标的系统驰豫时间At，然后在对物理单元中的光开关和伺服环路进行时序控制时，在控制物理单元中的光开关打开之后N个At时间长度后，控制伺服环路对物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，即增加了对光检信号进行同步鉴相的延迟时间，由于这个延迟时间是系统驰豫时间的N倍，且N为大于O的奇数，所以在进行同步鉴相前，系统已经累积了 N次纠偏误差，相当于在系统中增加了一个积分器，即在系统中引入了一个噪声；由于N为大于O的奇数，N个At也将会达到毫秒量级，而系统中其他信号通常是正弦波(具有偶次谐波)，且频率通常都会高于IMHz量级，因此N个At产生的时序引入的噪声将不会影响到系统中其他信号，因此这样做可以使系统的信噪比得到提高，进而有利于系统短期稳定度。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]图1是本发明实施例一提供的相干布居囚禁原子频标的结构示意图；
[0046]图2是本发明实施例一提供的环形振荡器的振荡周期的示意图；
[0047]图3是本发明实施例一提供的原子频标的振荡周期的示意图；
[0048]图4是本发明实施例二提供的提高相干布居囚禁原子频标短期稳定度的方法的流程图；
[0049]图5是本发明实施例提供的光开关时序和同步鉴相时序图。
【具体实施方式】
[0050]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0051]实施例一
[0052]本发明实施例提供了一种相干布居囚禁原子频标，参见图1，该原子频标包括:
[0053]压控晶振101 ;
[0054]线偏振激励单元102，用于根据压控晶振的输出频率产生微波探寻信号；
[0055]物理单元103，用于在微波探寻信号的调制作用下产生双色相干激光，双色相干激光与原子作用产生光检信号；
[0056]伺服环路104，用于对光检信号进行同步鉴相产生同步鉴相信号；
[0057]控制单元105，用于根据同步鉴相信号产生纠偏电压作用在压控晶振上；
[0058]系统驰豫时间检测单元106，用于检测原子频标的系统驰豫时间Λ t ；
[0059]控制单元105，还用于根据系统驰豫时间At对物理单元中的光开关和伺服环路进行时序控制，在控制物理单元中的光开关打开之后N个At时间长度后，控制伺服环路对物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，N为大于O的奇数。
[0060]具体地，控制单元105对物理单元中的光开关和伺服环路进行的时序控制如图5所示，同步鉴相时序较光开关时序晚N个At时间。
[0061]优选地，N可以为3或5。在实验中，当N取3或者5时可以时原子频标获得较好的短期稳定度。
[0062]在本发明实施例中，线偏振激励单元102包括倍混频子单元和综合子单元，用于采用压控晶振输出频率作为参考信号，通过微处理器和数字频率合成器生成微波探寻信号。
[0063]在本发明实施例中，物理单元103包括半导体激光器、依次设置在半导体激光器的光路上的λ/4波片、衰减片、共振腔和光电检测装置，共振腔包括填充有碱金属(如铷)和缓冲气体的腔泡装置、线圈和磁屏蔽，光开关设在半导体激光器和腔泡装置之间。
[0064]在本发明实施例中，系统驰豫时间检测单元106包括:
[0065]环形振荡器1061，用于接收伺服环路的输出信号，并将伺服环路的输出信号反相后输出；
[0066]执行子单元1062，用于根据环形振荡器的输出信号动作，控制物理单元中的光开关的开关;
[0067]检测子单元1063，用于根据环形振荡器的输出信号测量原子频标的振荡周期；
[0068]获取子单元1064，用于获取环形振荡器的振荡周期；
[0069]计算子单元1065，用于根据原子频标的振荡周期和环形振荡器的振荡周期计算原子频标的系统驰豫时间。
[0070]在本发明实施例中，环形振荡器1061由奇数个非门构成且非门至少为3个。在本实施例中，非门可以由微处理器发生。
[0071]环形振荡器1061输入端接收来自于伺服环路的信号，环形振荡器1061输出端反馈到物理单元中的光开关上，用以控制光开关状态‘开’或‘关’。
[0072]如图2，奇数个非门串接在一起，会产生自激振荡，该电路构成一个环形振荡器。设环形振荡器中非门的个数M为奇数，每个非门电路的平均传输时延迟间为t，环形振荡器产生的振荡周期为T0。假定某时刻Al点的初态为‘ I’，则经过I个传输延迟t后，A2点变为‘0’，再经过I个传输延迟t，A3点变为‘ I’，经过奇数M个传输延迟Mt后，初态‘ I’变为‘O’。因此，根据图2，可以得到:
[0073]TO = 2Mt (I)
[0074]在环形振荡器串入原子频标系统后，当物理单元中的光开关是‘开’状态时，激光器激励的光通过光开关后直接进入集成共振滤光泡中，完成量子鉴频，产生光检信号。光检信号经伺服环路处理后，一方面用于同步鉴相；另一方面送入环形振荡器中。因为激光器激励光能够透过集成滤光共振泡，故此时刻经伺服环路产生送入环形振荡器中的信号为高电平‘I’，而环形振荡器由奇数个非门构成，因此送入环形振荡器中的信号经过奇数个非门后变成低电平‘0’，输出信号再次作用于物理单元中的光开关，使其为‘关’状态。依次循环，在环形振荡器的输出端会出现‘I’、‘O’、‘I’…、‘0’的变化，通过环形振荡器的输出端频率信号检测，即可得出原子频标的振荡周期Tl。而根据公式(I)相同的道理，根据图3可以推导出该原子频标的振荡周期Tl可以表示为:
[0075]Tl = 2 (Mt+At) (2)
[0076]其中，At即为原子频标的系统驰豫时间。通过公式⑴和⑵，可推导得出:
[0077]At = (Tl-TO)/2 (3)
[0078]即在本发明实施例中，计算子单元1065，用于根据以下公式计算原子频标的系统驰豫时间:At = (Tl-TO)/2 ；
[0079]其中，At为系统驰豫时间，Tl为原子频标的振荡周期，TO为环形振荡器的振荡周期。
[0080]在本发明实施例中，光开关为高速快门Shutter。
[0081]在本发明实施例中，控制单元105可以包括微处理器或者可编程逻辑控制器。
[0082]本发明实施例通过测量原子频标的系统驰豫时间At，然后在对物理单元中的光开关和伺服环路进行时序控制时，在控制物理单元中的光开关打开之后N个At时间长度后，控制伺服环路对物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，即增加了对光检信号进行同步鉴相的延迟时间，由于这个延迟时间是系统驰豫时间的N倍，且N为大于O的奇数，所以在进行同步鉴相前，系统已经累积了 N次纠偏误差，相当于在系统中增加了一个积分器，SP在系统中引入了一个噪声；由于N为大于O的奇数，N个At也将会达到毫秒量级，而系统中其他信号通常是正弦波(具有偶次谐波)，且频率通常都会高于IMHz量级，因此N个Λ t产生的时序引入的噪声将不会影响到系统中其他信号，因此这样做可以使系统的信噪比得到提高，进而有利于系统短期稳定度。
[0083]实施例二
[0084]本发明实施例还提供了一种提高相干布居囚禁原子频标短期稳定度的方法，参见图4，该方法包括:
[0085]步骤201:检测原子频标的系统驰豫时间At。
[0086]具体地，步骤201可以采用下述方式实现:
[0087]步骤一、采用环形振荡器接收伺服环路的输出信号，并将伺服环路的输出信号反相后输出。
[0088]步骤二、根据环形振荡器的输出信号动作，控制物理单元中的光开关的开关。
[0089]步骤三、根据环形振荡器的输出信号测量原子频标的振荡周期。
[0090]步骤四、获取环形振荡器的振荡周期。
[0091]步骤五、根据原子频标的振荡周期和环形振荡器的振荡周期计算原子频标的系统驰豫时间。
[0092]更具体地，在步骤五中，可以根据以下公式计算原子频标的系统驰豫时间:At =(Tl-TO)/2。
[0093]其中，Tl = 2 (Mt+At)，At为系统驰豫时间，Tl为原子频标的振荡周期，TO为环形振荡器的振荡周期，M为环形振荡器中非门的个数，t为每个非门的延迟时间。
[0094]步骤202:采用压控晶振的输出频率产生微波探寻信号。
[0095]步骤203:在微波探寻信号的调制作用下产生双色相干激光，双色相干激光与原子作用产生光检信号。
[0096]具体地，步骤203在原子频标的物理单元中实现。
[0097]步骤204:在控制物理单元中的光开关打开之后N个Λ t时间长度后，控制伺服环路对物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，产生同步鉴相信号，N为大于O的奇数。
[0098]具体地，对物理单元中的光开关和伺服环路进行的时序控制如图5所示，同步鉴相时序较光开关时序晚N个At时间。
[0099]步骤205:根据同步鉴相信号产生纠偏电压作用在压控晶振上。
[0100]在本发明实施例的一种实现方式中，N为3或5。
[0101]本发明实施例通过测量原子频标的系统驰豫时间At，然后在对物理单元中的光开关和伺服环路进行时序控制时，在控制物理单元中的光开关打开之后N个At时间长度后，控制伺服环路对物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，即增加了对光检信号进行同步鉴相的延迟时间，由于这个延迟时间是系统驰豫时间的N倍，且N为大于O的奇数，所以在进行同步鉴相前，系统已经累积了 N次纠偏误差，相当于在系统中增加了一个积分器，SP在系统中引入了一个噪声；由于N为大于O的奇数，N个At也将会达到毫秒量级，而系统中其他信号通常是正弦波(具有偶次谐波)，且频率通常都会高于IMHz量级，因此N个Λ t产生的时序引入的噪声将不会影响到系统中其他信号，因此这样做可以使系统的信噪比得到提高，进而有利于系统短期稳定度。
[0102]需要说明的是:上述实施例提供的相干布居囚禁原子频标在提高短期稳定度时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的相干布居囚禁原子频标与提高相干布居囚禁原子频标短期稳定度的方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
[0103]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0104]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0105]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种相干布居囚禁原子频标，其特征在于，所述原子频标包括: 压控晶振； 线偏振激励单元，用于根据所述压控晶振的输出频率产生微波探寻信号； 物理单元，用于在所述微波探寻信号的调制作用下产生双色相干激光，所述双色相干激光与原子作用产生光检信号； 伺服环路，用于对所述光检信号进行同步鉴相产生同步鉴相信号； 控制单元，用于根据所述同步鉴相信号产生纠偏电压作用在所述压控晶振上； 系统驰豫时间检测单元，用于检测所述原子频标的系统驰豫时间八“ 所述控制单元，还用于根据系统驰豫时间八I对所述物理单元中的光开关和所述伺服环路进行时序控制，在控制所述物理单元中的光开关打开之后~个八I时间长度后，控制所述伺服环路对所述物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，^为大于0的奇数。
2.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述~为3或5。
3.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述系统驰豫时间检测单元包括: 环形振荡器，用于接收所述伺服环路的输出信号，并将所述伺服环路的输出信号反相后输出； 执行子单元，用于根据所述环形振荡器的输出信号动作，控制所述物理单元中的光开关的开关； 检测子单元，用于根据所述环形振荡器的输出信号测量所述原子频标的振荡周期； 获取子单元，用于获取所述环形振荡器的振荡周期； 计算子单元，用于根据所述原子频标的振荡周期和所述环形振荡器的振荡周期计算所述原子频标的系统驰豫时间。
4.根据权利要求3所述的原子频标，其特征在于，所述环形振荡器由奇数个非门构成且所述非门至少为3个。
5.根据权利要求3所述的原子频标，其特征在于，所述计算子单元，用于根据以下公式计算所述原子频标的系统驰豫时间(11-10)/2 ； 其中，八I为系统驰豫时间，II为所述原子频标的振荡周期，10为所述环形振荡器的振荡周期。
6.根据权利要求1-5任一项所述的原子频标，其特征在于，所述光开关为高速快门811111:1:61-0
7.一种提高相干布居囚禁原子频标短期稳定度的方法，其特征在于，所述方法包括: 检测原子频标的系统驰豫时间八七； 采用压控晶振的输出频率产生微波探寻信号； 在所述微波探寻信号的调制作用下产生双色相干激光，所述双色相干激光与原子作用产生光检信号； 在控制物理单元中的光开关打开之后~个八I时间长度后，控制伺服环路对所述物理单元产生的光检信号进行同步鉴相，产生同步鉴相信号，~为大于0的奇数； 根据所述同步鉴相信号产生纠偏电压作用在所述压控晶振上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述~为3或5。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测原子频标的系统驰豫时间八仏包括: 采用环形振荡器接收所述伺服环路的输出信号，并将所述伺服环路的输出信号反相后输出； 根据所述环形振荡器的输出信号动作，控制所述物理单元中的光开关的开关； 根据所述环形振荡器的输出信号测量所述原子频标的振荡周期； 获取所述环形振荡器的振荡周期； 根据所述原子频标的振荡周期和所述环形振荡器的振荡周期计算所述原子频标的系统驰豫时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述原子频标的振荡周期和所述环形振荡器的振荡周期计算所述原子频标的系统驰豫时间，包括: 根据以下公式计算所述原子频标的系统驰豫时间(11-10)/2 ； 其中，八I为系统驰豫时间，II为所述原子频标的振荡周期，10为所述环形振荡器的振荡周期。
【文档编号】H03L7/26GK104410416SQ201410699405
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】詹志明 申请人:江汉大学