一种激光频标信号源的制作方法

本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种激光频标信号源。

背景技术：

激光频标(也称激光频率标准)是将激光频率锁定于原子或分子的超精细能级间的稳定跃迁频率，从而获得高精度的激光频率输出的信号源设备。

激光频标主要包括信号源、物理部分以及电子线路。现有的激光频标信号源受环境温度影响较大，恶劣的环境会大大影响激光频标的输出稳定度，同时激光频标信号源的各个组成部分会相互干扰，同样会影响激光频标的输出。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种激光频标信号源。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种激光频标信号源，所述激光频标信号源包括保温箱体，所述保温箱体的内腔被分隔为三个腔体，所述激光频标信号源还包括压控晶振、伺服控制模块和激光器，所述压控晶振、伺服控制模块和激光器分别设置在所述三个腔体内，所述保温箱体内还设置有温度补偿模块；

压控晶振，用于输出频率信号；

所述温度补偿模块用于检测所述腔体内的温度，并根据所述腔体内的温度生成纠偏电压对所述压控晶振进行温度补偿；

所述伺服控制模块，用于根据所述压控晶振输出的频率信号生成参考信号，并产生一路键控调频信号和一路时序控制信号；采用所述参考信号作为参考，采用所述键控调频信号进行键控调频，产生调制信号；在所述时序控制信号的控制下，产生一路原始脉冲信号；采用设定分频比对所述原始脉冲信号进行处理，输出脉冲信号；对所述脉冲信号进行补偿；对补偿后的所述脉冲信号和所述调制信号进行倍混频，得到光探测共振信号；对所述光探测共振信号进行功率放大，并将功率放大后的光探测共振信号输出至所述激光器中。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述保温箱体包括有机隔热材料内胆和金属材料外壁。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述有机隔热材料内胆采用发泡聚氨酯或聚苯乙烯泡沫塑料板制成。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述金属材料外壁采用铝制成。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述有机隔热材料内胆的厚度为3-5厘米。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述金属材料外壁的厚度为3-5毫米。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述温度补偿模块设置在设置有所述伺服控制模块的腔体内。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述伺服控制模块包括：

中央处理器，用于接收所述压控晶振输出的频率信号，根据所述频率信号生成参考信号，并产生一路键控调频信号和一路时序控制信号；

第一dds，用于采用所述参考信号作为参考，采用所述键控调频信号进行键控调频，产生调制信号；

第二dds，用于在所述时序控制信号的控制下，产生一路原始脉冲信号；

锁相环分频器，用于采用设定分频比对所述原始脉冲信号进行处理，输出脉冲信号；

衰减匹配网络，用于对所述脉冲信号进行补偿；

倍混频模块，用于对补偿后的所述脉冲信号和所述调制信号进行倍混频，得到光探测共振信号；

功率放大器，用于对所述光探测共振信号进行功率放大，并将功率放大后的光探测共振信号输出至所述激光器中；

所述中央处理器，还用于控制所述锁相环分频器的分频比；根据所述激光频标信号源的激光器输出的光束光强，控制所述衰减匹配网络的衰减倍数；根据所述激光频标信号源的激光器的功率大小，控制所述功率放大器的功率放大倍数。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述温度补偿模块包括：

温度转换电路，用于采集所述压控晶振的工作环境温度，将采集到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压差；

运算放大器，用于对所述电压差进行差分放大，得到补偿电压；

所述中央处理器，用于将所述补偿电压作用在所述压控晶振上；

负反馈电阻，用于调节所述运算放大器的增益值；

相应地，所述中央处理器，还用于通过控制所述负反馈电阻的阻值调节所述运算放大器的所述增益值。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述温度转换电路包括电桥，所述电桥包括热敏电阻ra、电阻rb及两个电阻r，所述电阻rb的电阻值与所述参考工作温度对应，且所述电阻rb的温度系数与所述热敏电阻ra相同。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用压控晶振提供参考信号，然后通过伺服控制模块根据参考信号生成光探测共振信号作用到激光器上，实现激光频标信号源；该激光频标信号源采用保温箱体进行保温，能够有效缓解环境温度影响，同时通过设置温度补偿模块对压控晶振进行温度补偿，可以避免恶劣的环境对激光频标的输出稳定度的影响。同时，所述压控晶振、伺服控制模块和激光器分别设置在所述三个腔体内，避免各个部分之间相互干扰影响激光频标的输出。

附图说明

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。

图1是本发明实施例提供的激光频标信号源的结构示意图

图2是本发明实施例提供的伺服控制模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的温度补偿模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的衰减匹配网络的结构示意图。

具体实施方式

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。

图1是本发明实施例提供的激光频标信号源的结构示意图，参见图1，该激光频标信号源包括：所述激光频标信号源包括保温箱体10，所述保温箱体10的内腔被分隔为三个腔体，所述激光频标信号源还包括压控晶振11、伺服控制模块12和激光器13，所述压控晶振11、伺服控制模块12和激光器13分别设置在所述三个腔体内，所述保温箱体10内还设置有温度补偿模块14。

压控晶振11，用于输出频率信号；所述温度补偿模块14用于检测所述腔体内的温度，并根据所述腔体内的温度生成纠偏电压对所述压控晶振11进行温度补偿；所述伺服控制模块12，用于根据所述压控晶振11输出的频率信号生成参考信号，并产生一路键控调频信号和一路时序控制信号；采用所述参考信号作为参考，采用所述键控调频信号进行键控调频，产生调制信号；在所述时序控制信号的控制下，产生一路原始脉冲信号；采用设定分频比对所述原始脉冲信号进行处理，输出脉冲信号；对所述脉冲信号进行补偿；对补偿后的所述脉冲信号和所述调制信号进行倍混频，得到光探测共振信号；对所述光探测共振信号进行功率放大，并将功率放大后的光探测共振信号输出至激光频标信号源的激光器13中。

本申请通过采用压控晶振提供参考信号，然后通过伺服控制模块根据参考信号生成光探测共振信号作用到激光器上，实现激光频标信号源；该激光频标信号源采用保温箱体进行保温，能够有效缓解环境温度影响，同时通过设置温度补偿模块对压控晶振进行温度补偿，可以避免恶劣的环境对激光频标的输出稳定度的影响。同时，所述压控晶振、伺服控制模块和激光器分别设置在所述三个腔体内，避免各个部分之间相互干扰影响激光频标的输出。

在本发明实施例中，保温箱体10具体由两层结构组成，内胆10a和外壁10b，内胆10a和外壁10b可以均为密封的长方体结构，内胆10a的尺寸小于外壁10b，内胆10a设置在外壁10b内部。

具体地，为了保证保温箱体10的保温性能，所述保温箱体10包括有机隔热材料内胆10a和金属材料外壁10b。金属材料外壁10b为具有内腔的长方体结构，有机隔热材料内胆10a设置在金属材料外壁10b的内腔内，有机隔热材料内胆10a的内腔被隔离板10c分隔为三个腔体。隔离板10c的主体采用有机隔热材料制作，隔离板10c的主体上贴设有金属板，避免各个腔体内的器件相互干扰。

在本发明实施例中，所述有机隔热材料内胆10a可以采用发泡聚氨酯或聚苯乙烯泡沫塑料板制成，从而保证保温箱体10的保温性能。

在本发明实施例中，所述金属材料外壁10b可以采用铝制成，一方面进一步加强保温箱体10的保温性能，另一方面，屏蔽外界信号对信号源的干扰。

在本发明实施例中，所述有机隔热材料内胆10a的厚度可以为3-5厘米，这种厚度一方面可以实现保温效果，另一方面不至于使得整个信号源体积过大。

在本发明实施例中，所述金属材料外壁10b的厚度可以为3-5毫米，这种厚度一方面可以实现保温、抗干扰效果，另一方面不至于使得整个信号源体积、重量过大。

在本发明实施例中，所述温度补偿模块14设置在设置有所述伺服控制模块12的腔体内。温度补偿模块14最终实现补偿电压可以通过伺服控制模块12传输给压控晶振11，因而，将温度补偿模块14和伺服控制模块12设置在相同腔体内，避免温度补偿模块14和伺服控制模块12之间的线缆需要穿过隔离板10c，造成隔离板10c上需要开设较大尺寸的走线孔。

值得说明的是，保温箱体10的三个腔体的温度相当，故温度补偿模块14设置在任一个腔体，起到的补偿作用相当。另外，保温箱体10的内胆10a中的隔离板10c上需要开设走线孔以实现压控晶振11和伺服控制模块12、伺服控制模块12和激光器13之间的连接线缆穿过。走线孔的尺寸尽量小，且走线孔在穿过线缆后可以采用密封件密封。

图2是本发明实施例提供的伺服控制模块的结构示意图，参见图2，所述伺服控制模块12包括：

中央处理器102，用于接收压控晶振11输出的频率信号，根据频率信号生成参考信号，并产生一路键控调频信号和一路时序控制信号。

第一dds103，用于采用中央处理器102产生的参考信号作为参考，采用中央处理器102产生的键控调频信号进行键控调频，产生调制信号。

第二dds104，用于在中央处理器102产生的时序控制信号的控制下，产生一路原始脉冲信号。

锁相环分频器105，用于采用设定分频比对第二dds104输出的原始脉冲信号进行处理，输出脉冲信号。

衰减匹配网络106，用于对锁相环分频器105输出的脉冲信号进行补偿。

倍混频模块107，用于对衰减匹配网络106输出的脉冲信号和第一dds103输出的调制信号进行倍混频，得到光探测共振信号。

功率放大器108，用于对光探测共振信号进行功率放大，并将功率放大后的光探测共振信号输出至激光频标信号源的激光器13中。

中央处理器102，还用于控制锁相环分频器105的分频比；根据激光频标信号源的激光器13输出的光束光强，控制衰减匹配网络106的衰减倍数；根据激光频标信号源的激光器13的功率大小，控制功率放大器108的功率放大倍数。

在本发明实施例中，中央处理器102，用于将压控晶振11输出的频率信号进行四倍频，得到参考信号。

在本发明实施例中，分频比可以为12。

具体地，由于激光器13的调制边带为3417.34375mhz，故由第一dds103给出尾数0.34375mhz部分。同时为了得到量子鉴频信号，还需要在探测信号(光探测共振信号)上加一个键控小调频，该功能由第一dds103来实现。

第一dds103内含4－20倍频，由于在使用片内10倍频时，相位噪声要比不使用时大，故在设计时，为减少倍频次数降低附加相位噪声及考虑得到57.34375mhz频率信号输出需要，采用压控晶振11输出的10mhz信号经中央处理器102做4倍频处理作为第一dds103的参考信号，然后经片内6倍频得240mhz信号作为系统时钟。中央处理器102通过软件命令控制字设置第一dds103的具体频率输出。如选择的第一dds103为48位，外部时钟选择为40mhz，内部采用6倍锁相环(英文：phaselockedloop，简称：pll)，则第一dds103理论上输出的频率范围为0-240mhz，中央处理器102通过软件命令控制字改变48位二进制位‘0’或‘1’，从而改变第一dds103的具体频率输出，其分辨率为(240mhz/2⁴⁸)。具体实施中，中央处理器102产生一路占空比为1：1的键控调频信号(如：频率为117hz)送至第一dds103的fsk引脚，达到键控调频的作用。当出现高电平‘1’时，第一dds103产生频率信号为f1，当出现低电平‘0’时，第一dds103产生频率信号为f2，其中f1＝57.34375mhz-δf，f2＝57.34375mhz+δf。

第二dds104在中央处理器102的控制下，间隔性的输出10mhz信号和0mhz信号，得到原始脉冲信号。然后把第二dds104输出的信号作为锁相环分频器105的参考信号，根据中央处理器102设定的锁相环分频器105分频器的分频比，得到频率为第二dds104输出频率n(n＝12)倍的脉冲信号。再经衰减匹配网络106实现信号的输出。

第一dds103输出的57.34375mhz±δf的调频信号及衰减匹配网络106输出的120mhz的脉冲信号在倍混频模块107中，进行倍频和混频得到光探测共振信号，该光探测共振信号的频率为3417.34375mhz±δf，然后将该光探测共振信号输出至功率放大器108进行功率调节。最后采用功率放大器108输出的3417.34375mhz±δf信号对激光器13进行光调制，从而实现激光频标信号源。

参见图2和图3，温度补偿模块14可以包括：

温度转换电路1120，用于采集温度补偿模块14所在腔体内的温度作为压控晶振的工作环境温度，将采集到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压差。

运算放大器a，用于对电压差进行差分放大，得到补偿电压。

中央处理器102，用于将补偿电压作用在压控晶振11上。

负反馈电阻rw，用于调节运算放大器的增益值。

相应地，中央处理器102，还用于通过控制负反馈电阻rw的阻值调节运算放大器a的增益值。

具体地，温度转换电路1120包括电桥，电桥包括热敏电阻ra、电阻rb及两个电阻r，电阻rb的电阻值与参考工作温度对应，且电阻rb的温度系数与热敏电阻ra相同。

在本发明实施例中，热敏电阻ra的阻值用来标识压控晶振11的工作环境温度。热敏电阻ra可以安装在压控晶振11的四周。

温度补偿模块14减小环境温度对于压控晶振11输出频率的精度影响，使得该激光频标信号源的输出精度更高。

在本发明实施例中，第一dds103和第二dds104均可以包括ad9954芯片、以及与ad9954芯片电连接的稳压电源和低通滤波器。第一dds103和第二dds104工作的频率比较高，芯片在工作时会发烫，不但影响正常的电路工作状态，甚至会造成芯片的烧毁，故第一dds103和第二dds104还可以包括散热片，散热片安装在第一dds103和第二dds104上，散热片上方与盒盖壳相接，以获得更大的散热面。散热片上方通过四个弹簧与盒盖压紧接触，保证长期工作时，第一dds103和第二dds104与散热片间的良好接触。

参见图4，衰减匹配网络106包括串联的电阻r1、可变电容ck、电阻r3、电阻r4和电容c1，衰减匹配网络还包括电阻r2、电阻r5、电阻r6和电容c2，电阻r2的一端连接在可变电容ck和电阻r1之间，电阻r2的另一端连接在电阻r3和电阻r4之间，电阻r5、电阻r6和电容c2串接在电阻r4两端，电阻r4和电容c1之间接地，衰减匹配网络还包括输入端和输出端，输入端连接在电阻r1和可变电容ck之间，输出端连接在电阻r5和电阻r6之间；

相应地，中央处理器102，还用于通过控制可变电容ck的大小调节衰减匹配网络106的衰减倍数。衰减匹配网络106的衰减倍数由r2/r4决定。具体地，可变电容ck、电容c2为补偿电容，当满足r2/r4＝c2/ck时，达到最佳补偿。因此需要通过中央处理器102调节可变电容ck的大小，即可实现最佳补偿。电阻r1和电容c1组成的支路用来补偿输入信号分布电容的影响。如图2所示，当中央处理器102检测到激光器13输出的光束光强功率变化时，中央处理器102将反馈信号发送至衰减匹配网络106中，用于通过调节上述可变电容ck来实现输出信号的稳定。

参见图2，该伺服控制模块12还可以包括：设于倍混频模块107和功率放大器108之间的滤波器109。滤波器109用于对倍混频模块107的输出信号进行滤波。

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。

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。