专利名称：基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法
技术领域：
本发明属于荧光探测系统，更具体涉及光频标离子钟跃迁探测系统。
背景技术：
原子频标标准(简称原子频标或原子钟)是利用量子力学原理制成的高稳定度和高准确度时间、频率信号产生系统。由于原子光频标所采用的参考跃迁处于光频段，比传统的微波频标所选的参考跃迁频率高出4-5个量级，如果其对应的光学波段参考谱线的线宽 Λ V与工作在微波波段的频标相同，那么用于稳频谱线的Q( = vr/Δν)值则为微波频标的几万倍，即从理论上预言光频标的稳定度和准确度比微波频标高出4-5个量级。原子光频标的建立，可用于检验物理学基本理论和定律、精确测量物理常数及可能的变化，并将进一步改进国际单位制体系，得到更准确的全球定位系统和更广泛应用的卫星通讯系统，广泛应用于国民经济各个领域。在离子光频标中，人们利用离子发出的荧光数判断离子所处的原子态。为了消除离子钟跃迁谱线的Doppler频移，通常采用激光冷却的方法将离子的运动速度降低。激光冷却采用的是离子基态I和激发态II之间的跃迁。离子被激光A泵浦到上能级之后会自发辐射回到基态，同时发出荧光。激发态II寿命短，每秒钟可以发出106-108个光子。而钟跃迁选取从基态I到亚稳态III的跃迁。由于亚稳态III的寿命长，通常为Is左右，因此，离子被泵浦到该态之后，每秒钟发出的荧光数几乎为O。在光频标钟跃迁谱线的探测中， 采用脉冲时序的方法进行探询。首先采用一束线宽很窄的钟跃迁探测光B对钟跃迁谱线进行探询。之后探测离子发出的荧光，此时探测光B关掉，冷却光A打开。若离子被泵浦到亚稳态III，则光电倍增管探测到的荧光数几乎为0，称离子处于“暗态”，也称离子发生了“量子跳跃”。反之，离子会在冷却光A的泵浦下在基态I和激发态II之间循环，离子荧光数高，称离子处于“亮态”，也即没有发生“量子跳跃”。之后再将探测光B打开，这样周而复始地探测离子是否发生了 “量子跳跃”。固定探测光B在每个频率的脉冲个数，可以得到该频率下的“量子跳跃”个数。之后扫描探测光B的频率，可以得到根据不同频率下的“量子跳跃”个数得到钟跃迁谱线的跃迁几率，从而可以得到离子跃迁的吸收谱线，之后利用飞秒光梳测量探测光B在“量子跳跃”最多时的频率，即可得离子的钟跃迁中心频率。传统方法中， 对于离子荧光的探测，采用光子计数器对电脉冲的个数进行计数(也即光子计数)，同时利用甄别器设置光子计数器的阈值。光子计数器能给出光子数的具体值。上述采用光子计数器实现对离子荧光的探测，由于光子计数器价格昂贵，因此成本闻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低，方法简单的基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，以解决上述问题。本发明的技术方案是基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，是利用光电倍增管将探测到的离子阱系统中产生的离子荧光光信号变成电脉冲之后，再将电脉冲信号进行放大后，输入到微处理器，微处理器对接收到的电脉冲信号进行存储，在单位时间内对电脉冲信号进行积累，形成累加的电压信号，当所述电压信号高于设定值时，离子荧光计数高，微处理器计数溢出，此时为“亮态”;当所述电压信号低于设定值时离子，荧光计数低，微处理器计数没有溢出，此时为“暗态”。在微处理器在进行累加的电压信号计数前，利用幅度甄别器将微处理器接收到的脉冲进行分开，实现电子脉冲和噪声脉冲的分离。所述微处理器将输出信号给计算机，通过计算机实施钟跃迁探测激光和离子冷却激光的控制。所述微处理器是单片机。本发明基于只需知道荧光计数的高低，并不关心荧光计数的具体值，采用简单的微处理器就能实现对光频标离子钟跃迁探询，其成本低，方法简单易行。可用于光频标、量子光学和量子信息等领域。
图I尚子光频标突光探测系统不意图。图2光频标所选原子能级图。图3本发明方法程序流程图。图4激光脉冲时序示意图。
具体实施例方式如图I所示，系统中离子阱系统100用于产生荧光离子，光电倍增管200用于将荧光离子的光信号转换成电脉冲信号，前置放大器300用于对电脉冲信号进行放大,微处理器400实现对电脉冲信号在单位时间的累计，比较判断，甄别器500用于将前置放大器300 的输出信号进行分离，即实现电脉冲和噪声脉冲的分离；保证输入到微处理器400的信号只有电脉冲信号，实现累计及比较判断的精度，计算机600实施钟跃迁探测激光器700和离子冷却激光器800的控制。离子阱系统为利用具有旋转对称性双曲面的两个帽电极和一个环电极组成。在环和帽之间加上射频电压，通过产生的电四极势囚禁带电离子。离子光频标选取的原子体系通常如图2所示。在离子光频标中，为了消除离子钟跃迁谱线的Doppler频移，通常采用激光冷却的方法将离子的运动速度降低。激光冷却采用的是离子基态I到激发态II的跃迁。离子被激光A泵浦到能级II之后会自发辐射回到基态，同时发出荧光。激发态II寿命短，每秒钟可以发出106-108个光子。离子发出的荧光经过光电倍增管接收之后变为电脉冲信号， 该信号经过前置放大器之后输入到微处理器。由于电子脉冲和噪声脉冲在幅度大小和分布上都不相同，利用幅度甄别器将微处理器接收到的脉冲分开，实现信号和噪声的分离。微处理器对接收到的脉冲进行存储，在单位时间内对电子脉冲进行积累，形成累加的电压信号。 考虑到这与单片机的定时计数器原理类似，故此选用单片机作为微处理器控制核心部分， 对电脉冲进行计数定时，设定相关阈值，此处对电压的积累实质转化成单片机中定时计数问题，当电压信号高于设的阈值(设定值为2. 5V)时认为荧光计数高，单片机计数溢出，此时记为“亮态”，当电压信号低于设定阈值(设定值为2. 5V)时荧光计数低，单片机计数没有溢出，记为“暗态”。这既解决了光电子计数器价格昂贵的问题，又将问题简单化，直接将荧光计数的高低结果呈现出来，清晰明了。微处理器包括单片机，220V交流转5V直流供电系统，及模数转换器(A/D)。单片机运用C语言编写定时器程序，简洁易于修改，对于程序编写人员要求较低，程序设定一定阈值，当脉冲计数达到预设阈值时，计数溢出，输出电平由低跳变到高。单片机中定时/计数器可对由T0/T1引脚输入一个负脉冲进行加法计数，T0/T1加满溢出时TF0/TF I标志位自动置“1”，单片机检测到TCON中 Ο/TFl变“I”后，将产生指令执行中断服务程序，TFO/ TF I标志位会自动清“0”，以备下次中断申请。如图3所示。当离子在基态I和激发态II之间跃迁时，发出的荧光数多，因此微处理器接收的电子脉冲很多，从而积累的电压信号高于预设阈值，因此处于“亮态”。离子光频标选取的参考跃迁为基态I与亚稳态III之间的跃迁。由于亚稳态III的寿命长，通常为Is左右，因此，离子被泵浦到该态之后，每秒钟发出的荧光数几乎为O。此时，微处理器接收到的电子脉冲数几乎为0，从而单位时间内积累的电压也为0，微处理器计数达不到预设阈值，因此处于“暗态”。在光频标钟跃迁谱线的探测中，采用周期性脉冲时序的方法进行探询。时序如图 4所示。首先采用一束线宽很窄的钟跃迁激光B的脉冲对钟跃迁谱线进行探询，脉冲时间 tl，此时激光A关闭。之后探测光B关掉，冷却光A打开，脉冲时间t2，探测离子发出的荧光， 微处理器也在t2时间内进行电压信号的积累。若离子被泵浦到亚稳态III，则光电倍增管探测到的荧光数几乎为0，因此微处理器积累的电压几乎为0，微处理器计数达不到预设阈值，则离子处于“暗态”，也称离子发生了“量子跳跃”。反之，离子会在冷却光A的泵浦下在基态I和激发态II之间循环，离子荧光数较高，从而积累的电压信号高于预设阈值，使单片机电平跳变至1，称离子处于“亮态”，也即没有发生“量子跳跃”。由于两种情况下微处理器的积累电压相差很大，因此信噪比很高，从而很容易判断该时间周期内离子是否发生了“量子跳跃”。在激光B处于同一个频率下，重复数十次以上周期性脉冲，可以得到该频率下发生“量子跳跃”的个数。然后改变激光B的频率，重复同样多的激光脉冲周期，可以得到该激光频率下的“量子跳跃”个数。这样，我们就可以得到钟跃迁谱线的吸收谱。
权利要求
1.一种基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，是利用光电倍增管将探测到的离子阱系统中产生的离子荧光光信号变成电脉冲之后，再将电脉冲信号进行放大后，输入到微处理器，微处理器对接收到的电脉冲信号进行存储，在单位时间内对电脉冲信号进行积累，形成累加的电压信号，当所述电压信号高于设定值时，离子荧光计数高，微处理器计数溢出，此时为“亮态”；当所述电压信号低于设定值时离子，荧光计数低，微处理器计数没有溢出，此时为“暗态”。
2.如权利要求I所述基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，其特征在于在微处理器在进行累加的电压信号计数前，利用幅度甄别器将微处理器接收到的脉冲进行分开， 实现电子脉冲和噪声脉冲的分离。
3.如权利要求I所述基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，其特征在于所述微处理器将输出信号给计算机，通过计算机实施钟跃迁探测激光和离子冷却激光的控制。
4.如权利要求I 3所述任一基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，其特征在于所述微处理器是单片机。
全文摘要
本发明公开了一种基于微处理器的光频标离子钟跃迁探询方法，是利用光电倍增管将探测到的离子阱系统中产生的离子荧光光信号变成电脉冲之后，再将电脉冲信号进行放大后，输入到微处理器，微处理器对接收到的电脉冲信号进行存储，在单位时间内对电脉冲信号进行积累，形成累加的电压信号，当所述电压信号高于设定值时，离子荧光计数高，微处理器计数溢出，此时为“亮态”；当所述电压信号低于设定值时离子，荧光计数低，微处理器计数没有溢出，此时为“暗态”。其成本低，方法简单易行。可用于光频标、量子光学和量子信息等领域。
文档编号G01J11/00GK102589721SQ20111038505
公开日2012年7月18日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者刘培亮, 曹健, 欧保全, 管桦, 雷海东, 高克林, 黄垚, 黄学人 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所