相干布居捕获共振的原子振荡器和询问方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及相干布居捕获（CPT)共振的原子振荡器和询问方法。
【背景技术】
[0002] 传统上，原子时钟（或者原子振荡器）被称为提供非常精确时间的时钟。最近，对 小型化原子时钟的研宄和开发活跃。原子时钟可以被看作是根据原子中的电子的转移能量 将诸如碱金属原子的原子的电磁波频谱的微波区域内的电子转移频率用作频率标准的振 动器。特别是，在没有外部影响的情况下，能够由碱金属原子中的电子的转移能获得非常精 确的时间值。这种类型的原子时钟的频率稳定性比现有晶体振荡器的频率的稳定性优几个 数量级。例如，请参见日本专利 No. 4, 801，044 ;"The MAC-A Miniature Atomic Clock"by R. Lutwak, P. Vlitas, M. Varghese, M. Mescher, D. K. Serkland and G. M. Peake, Joint Meeting of the IEEE International Frequency Control Symposium and the Precise Time and Time Interval (PTTI)Systems and Applications Meeting, Vancouver, BC, Cana da, pp. 752-757(2005);以及"Investigations on Continuous and Pulsed Interrogation for a CPT Atomic Clock" by N. Castagna, R. Boudot, S. Guerandel, E. De Clercq, N. Dimarcq and A. Clairon,IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics,and Frequency Control, Vol. 56, No. 2, Feb. 2009〇
[0003] 存在一些类型的原子时钟。例如，采用微波谐振器的传统类型需要大装置尺寸和 高功率消耗。然而，CPT (相干布居捕获）原子时钟能提供比现有晶体振荡器优3个数量级 的非常高的频率稳定性。此外，CPT原子时钟能提供小装置尺寸和低功率消耗。CPT原子时 钟样机产于2007年，并且Symmetricom已经在2011年市售这种类型的芯片规模的原子时 钟（CSAC)的产品。
[0004] 尽管上述CPT原子时钟具有比采用微波谐振器的传统原子时钟低的功率消耗，但 是上述CPT原子时钟的功率消耗接近115mw。如果考虑到原子时钟实际上用于电池驱动的 便携式应用中，则上述CPT原子时钟的功率消耗值仍然非常高。因此，需要低于30mW的较 低功率消耗的改进型原子时钟或者振荡器。
【发明内容】
[0005] 在一个方面中，本发明提供了一种适于降低功率消耗的CPT谐振的原子振荡器和 询问方法。
[0006] 在一个实施例中，本发明提供了一种原子振荡器，包括：碱金属室，在该碱金属室 内封闭碱金属原子；光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；光电检测 器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及控制器， 该控制器被配置来通过对光源上的载波进行频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对 的边带；使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰 效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，其中边带包括第二阶边带或者更高阶边带。
【附图说明】
[0007] 图1是用于解释激光强度的分布的示意图。
[0008] 图2是示出根据本发明第一实施例的原子振荡器的配置的示意图。
[0009] 图3是用于解释133Cs (铯一 133原子）的01线的示意图。
[0010] 图4是用于解释第一阶、第二阶和第三阶边带的示意图。
[0011] 图5是示出连续询问模式下的CPT谐振的观察结果的示意图。
[0012] 图6是示出脉冲询问模式下的CPT谐振的观察结果的示意图。
[0013] 图7是用于解释连续询问模式下RF功率与对比度之间的关联的示意图。
[0014] 图8是用于解释脉冲询问模式下RF功率与对比度之间的关联的示意图。
[0015] 图9是用于解释连续询问模式下激光强度与频率偏移之间的关联的示意图。
[0016] 图10是用于解释脉冲询问模式下激光强度与频率偏移之间的关联的示意图。
[0017] 图11是用于解释根据本发明第二实施例的原子振荡器中的脉冲激光束的波形的 示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面将参考附图描述本发明实施例。
[0019] [第一实施例]
[0020] 通过研宄根据现有技术的上述CPT原子时钟，发现包括微波振荡器和PLL(锁相 环）的与微波有关的电路消耗CPT原子时钟的功率的一半以上。具体地说，当CPT原子时 钟以RF (射频）频带工作时，几GHz (吉赫兹）频带的CPT原子时钟的功率消耗主要由开关 损失导致。开关损失P由下面的公式1表示。
[0021] [公式 1]
[0022] P=fEFCV2
[0023] 其中fKF表示RF驱动的频率，C表示寄生电容，并且V表示射频的幅值。根据公式 1，用于降低与微波有关的电路的功率消耗的可能方法包括：降低RF频率f KF;降低寄生电容 C;以及降低射频的幅值V。
[0024] 根据本实施例的原子振荡器适合在上述方法中采用降低RF频率fKF的方法降低原 子振荡器的功率消耗。具体地说，布置根据本实施例的原子振荡器，以利用诸如第二阶边带 或者第三阶边带的更高阶边带谐波（边带）降低作为基波的RF频率f KF，使得可以降低功 率消耗。
[0025] 通常，如果更高阶边带用于原子振荡器，则产生CPT询问所需波长的激光束的效 率可能降低，并且因此CPT谐振的对比度可能降低。对原子振荡器要求高频稳定性。特别 是当将原子振荡器用作各种无线电通信装置的基站的时间标准源时，原子振荡器的短期频 率稳定性是重要的。在这方面，艾伦偏差（Allan deviation)用于测量频率稳定性，并且下 面的公式2表示短期频率稳定性〇 y (t)。
[0026] [公式 2]
[0027]
【主权项】
1. 一种原子振荡器，包括： 碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子； 光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子； 光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光 量；W及 控制器，该控制器被配置来通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的 激光束对的边带，使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的 量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率， 其中边带包括第二阶边带或者更高阶边带。
2. 根据权利要求1所述的原子振荡器，其中该边带包括第=阶边带。
3. -种原子振荡器，包括： 碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子； 光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子； 光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光 量；W及 控制器，该控制器被配置来通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的 激光束对的边带，使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的 量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率， 其中该具有不同波长的激光束对包括第一阶边带中的一个和第二阶或者更高阶边带 中的一个。
4. 一种原子振荡器，包括： 碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子； 光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子； 光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光 量；W及 控制器，该控制器被配置来通过对光源上进行载波频率调制，产生包括具有不同波长 的激光束对的边带，使作为载波的基波激光和作为边带的该激光束对进入碱金属室；并且 通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率， 其中该边带包括第=阶或者更高阶边带。
5. 根据权利要求1至4中的任何一项所述的原子振荡器，其中进入碱金属室内的激光 束是脉冲激光束。
6. 根据权利要求5所述的原子振荡器，其中该脉冲激光束具有矩形波形式的波形。
7. 根据权利要求5所述的原子振荡器，其中该脉冲激光束具有=角波形式的波形。
8. 根据权利要求5或者7所述的原子振荡器，其中控制器被配置来通过利用液晶元件 对光源发出的激光束进行调制，产生该脉冲激光束。
9. 根据权利要求1至8中的任何一项所述的原子振荡器，其中该光源由发出激光的表 面构成。
10. 根据权利要求1至9中的任何一项所述的原子振荡器，其中该激光束具有落入 893. 6nm-895. 6nm、851. 3nm-853. 3nm、794. Onm-796. Onm、W及 779. 2nm-781. 2nm 中的任何 一个范围内的波长。
11. 一种原子振荡器的CPT谐振的询问方法，该原子谐振器包括：碱金属室，在该碱金 属室内封闭碱金属原子；光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；W及 光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量，该 询问方法包括： 通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带； 使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且 通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率， 其中边带包括第二阶或者更高阶边带。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中该边带包括第=阶边带。
13. 根据权利要求11所述的询问方法，其中该具有不同波长的激光束对包括第一阶边 带中的一个和第二阶或者更高阶边带中的一个。
14. 根据权利要求11所述的询问方法，其中使步骤包括使作为载波的基波激光和边带 中的一个进入碱金属室，并且该边带包括第=阶或者更高阶边带。
15. 根据权利要求11至14中的任何一项所述的询问方法，其中进入碱金属室内的激光 束是脉冲激光束。
16. 根据权利要求15所述的询问方法，其中该脉冲激光束具有矩形波形式的波形。
17. 根据权利要求15所述的询问方法，其中该脉冲激光束具有=角波形式的波形。
18. 根据权利要求15或者17所述的询问方法，其中产生步骤包括通过利用液晶元件对 光源发出的激光束进行调制，产生该脉冲激光束。
19. 根据权利要求11至18中的任何一项所述的询问方法，其中该光源由发出激光的表 面构成。
20. 根据权利要求11至19中的任何一项所述的询问方法，其中该激光束具有落入 893. 6nm-895. 6nm、851. 3nm-853. 3nm、794. Onm-796. Onm、W及 779. 2nm-781. 2nm 中的任何 一个范围内的波长。
【专利摘要】一种原子振荡器包括：碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及控制器，该控制器通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带、使该具有不同波长的激光束进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，其中边带包括第二阶边带或者更高阶边带。
【IPC分类】H01S1-06, H03L7-26
【公开号】CN104685788
【申请号】CN201380050606
【发明人】五箇繁善, 矢野雄一郎
【申请人】株式会社理光, 公立大学法人首都大学东京
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年8月28日
【公告号】EP2891247A1, US20150222285, WO2014034955A1