专利名称：：一种相干布居数囚禁原子钟的制作方法
技术领域：
：本发明涉及原子钟领域，具体涉及一种相干布局数囚禁原子钟物理单元，适用于守时、授时、测距、导航、定位、通信时间同步等领域。
背景技术：
：相干布局数囚禁(CPT,CoherentPopulationTrapping)原子钟是一种小型化原子钟，可以满足定位、导航和精密计时等众多应用的要求，同时由于体积小重量轻，造价低廉，功率消耗小，从而大大扩充了原子钟的应用领域，在实现被动相干布局数囚禁原子钟，即原子钟的小型化和提高原子钟的稳定性、准确度等方面都有着自身的优势。相干布局数囚禁原子钟的原理为，两种不同频率的激光场与三能级原子体系作用，如果这两个激光的频率差等于原子两个基态超精细结构之间间隔，且满足双光子共振条件，则基态的两个子能级就被相干地耦合起来，子能级上的原子不再从两个激光场中吸收光子，不会被激发到激发态，即原子被囚禁在基态两个子能级上。当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中的透射强度呈现为电磁诱导透明信号；由于电磁诱导透明信号经过处理后可作为误差信号来将本振信号锁定在原子基态超精细子能级间隔上，从而实现原子钟环路；碱金属原子中的相干布局数囚禁为实现原子钟提供了一种有效的方法。被动型相干布局囚禁原子钟由于不需要微波谐振腔，易于结合微电子技术进行微型化，制作成芯片型原子钟；现有技术的相干布局囚禁原子钟，加入一定比例的緩冲气体，通过调节緩沖气体的压力变化，减少了多普勒加宽的现象以及探测信号线宽；为实现高精度小型原子钟的途径，现有技术利用伺服电路设有自动控制电路控制各种条件，另外现有技术D.K.Serkland,G.M.Peake.TheMiniatureAtomicClock-Pre-ProductionResults，lEEE,2007,1327.控温电路的温度控制在80.0QC,这样在被动型相干布居囚禁原子的原子钟使用过程中，可以使原子钟的体积减小，当前大多数的芯片级原子钟，都是采用相干布居囚禁原理的被动型原子钟。原子钟的启动开始就要预热，温度达到80.0GC，误差在0.01QC的范围时才输出稳定的频率信号，在此过程中，许多能量被消耗，此外长时间运行后温度有漂移，输出的频率信号不再准确，也就是说温漂现象成为芯片级原子钟输出频率信号稳定度的制约。迄今为止，CPT原子钟的实现，包括主动的或被动的，光束形式的或含有緩冲气体封闭单元形式的，也包括了冷原子介质的，热原子加緩冲气体的，指标都不是很高，主要表现在原子频率信号的稳定度都偏低，功耗大，其频率漂移在10一/天范围。总之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何提供一种成本低功耗小、稳定度高、增大探测信号信噪比的CPT原子钟。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种能够增大探测信号信噪比，功耗小、且稳定度高的相干布居数囚禁原子钟。为了解决上述问题，本发明公开了一种相干布居数囚禁原子钟，其包括原子钟电路单元，用于控制所述原子钟的启动、运行与关闭，该原子钟电路单元包括激光器驱动及锁定电路、微波发生器及锁定电路，偏置树，原子气室控温电路，原子钟频率信号输出电路；原子钟物理单元，包括激光器、原子气室和信号接收处理器；所述激光器通过偏振片和四分之一波片输出圆偏振光，该圆偏振光经由包含原子气体的原子气室，至信号接收处理器；所述偏振片为一片或多片；其形状、大小与所述激光器输出的激光光斑相应并便于固定；其中，所述激光器驱动及锁定电路和所述微波发生器及锁定电路的输出信号通过偏置树耦合，驱动和调节激光器，输出所需的激光信号；该激光信号通过原子气室，与原子气体作用获得相干布居数囚禁信息，并到达信号接收处理器；该信号接收处理器连接所述微波发生器及锁定电路，与所述激光器驱动及锁定电路，组成所述原子钟闭合环路，所述两个锁定电路分别接收所述信号接收处理器所给的信号，产生反馈误差信号并进行自动调节，所述原子钟频率信号输出电路连接于所述微波发生器及锁定环路的输出端，输出原子钟标准信号。优选地，所述偏振片包括两组，第一组偏振片放置于所述激光器的输出端，用于选择单一的线偏振光；第二组偏振片介于所述第一组偏振片和所述四分之一波片之间，与所述四分之一波片组合，用于将所述激光器输出的线偏振光转化为圆偏振光，并输入所述原子气室。优选地，所述第一组偏振片和所述第二组偏振片之间还包括用于调节进入所述原子气室的激光信号光强的衰减片，该衰减片为偏振片或中性滤波片。优选地，所述原子气室为玻璃气室，且该玻璃气室为圓柱体形状，所述玻璃气室的底面直径与母线长均为大于等于4mm。优选地，所述原子气室包括至少一个反射镜，所述圓偏振光经由所述反射镜至少一次反射后至所述信号接收处理器。优选地，所述信号接收处理器为光电探测二极管，该光电探测二极管接收信号的面积大于等于lmm2。优选地，所述激光器为半导体激光器，该激光器的输出波长为795nm。优选地，所述原子气室还包含有緩冲气体；所述緩沖气体为氖气与氩气，该氖气与氩气的压力比范围为1.3:l到k1.2。优选地，所述原子钟还包括，原子气室控温电路，该原子气室控温电路用于调节原子气室的温度。优选地，所述原子气室所包含的原子气体为铷原子气体。与现有技术相比，本发明具有以下优点首先，本发明通过使用偏振片和四分之一波片组合获得较好的圆偏振光，该圆偏振光经过包含原子气体的原子气室，通过增加原子气室的长度和截面积，并在原子气室中增加反射镜，使得所述圆偏振光与铷原子作用时，其作用距离加长，从而可以得到更高信噪比的探测信号，并降低气室所需温度；使CPT原子钟的输出频率信号更稳定，准确度更高。再者，在激光器和原子气室之间增加偏振片，通过旋转中间一组偏振片可以连续的调节光强，进而调节和优化CPT原子钟的探测信号，以提高原子钟的稳定度。图l是本发明的一种相干布局数囚禁原子钟的装置示意图2是本发明的另一种相干布局数囚禁原子钟的装置示意图3是本发明的一种相干布局数囚禁原子钟物理单元结构示意图4是本发明的另一种相干布局数囚禁原子钟物理单元结构示意图。具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的i兌明。本发明实施例的核心构思在于，通过使用偏振片和四分之一波片的组合获得光强适合的圆偏振光，该圓偏振光经过包含原子气体的原子气室，该原子气室利用反射镜的多次反射原理增大了探测光在原子气室的光程，使所述圆偏振光与铷原子作用距离增加，从而可以得到更高信噪比的探测信号，并降低气室所需温度；CPT原子钟的输出频率信号更稳定，准确度更高；可以做为GPS卫星定位终端、高精度计算机、精密导航系统等的时间基准，亦可用于通信网络、自动控制系统同步等方面。参照图1,示出了本发明的一种相干布局数囚禁原子钟的装置示意图，所述相干布居数囚禁原子钟，包括原子钟电路单元100，用于控制所述原子钟的启动、运行与关闭，原子钟电路单元100包括激光器驱动及锁定电路102、微波发生器及锁定电路IOI、偏置树103,原子钟频率信号输出电-各105;原子钟物理单元104,其包括激光器、原子气室和信号接收处理器；所述激光器通过偏振片和四分之一波片输出圆偏振光，该圓偏振光经由包含原子气体和緩冲气体的原子气室，至信号接收处理器；所述偏振片为一片或多片；其形状、大小与所述激光器输出的激光光斑相应；其中，所述激光器驱动及锁定电路102和所述微波发生器及锁定电路101的输出信号，通过偏置树103耦合，驱动和调节激光器，输出所需的激光信号；该激光信号通过原子气室，与原子气体作用获得相干布居数囚禁信息到达信号接收处理器，所述获得相干布居数囚禁信息的信号被信号接收处理器接收并转换为电信号；该信号接收处理器连接所述微波发生器及锁定电路101,与所述激光器驱动及锁定电路102,组成所述原子钟闭合环路，所述两个锁定电路分别接收所述信号接收处理器所给出的信号，产生反馈误差信号并进行自动调节，所述原子钟频率信号输出电路105连接于所述微波发生器及锁定电i各101的输出端，输出5M或IOM的原子钟标准信号。器及锁定电路101的本地振荡器输出一个频率信号v,该频率接近原子钟的原子气体铷原子的5S^(F二2)—5S^(F二3)跃迁谱线的中心频率信号v。，并通过原子钟物理单元104,获得相干布居数囚禁谱线信息，由信号接收处理器接收光信号，并转换为电信号vp至微波发生器及锁定电路IOI,该微波发生器及锁定电路101可以自动将本地振荡器输出频率信号v与谱线中心频率信号Vo之差变换为误差信号，该误差信号起鉴频器的作用；在本地振荡器输出频率信号v有变化时，该微波发生器及锁定电路自动调节频率信号v,使频率信号v-vo,经由原子钟信号输出电路105输出各种外设备需要的频率信号。在具体实现过程中，该信号接收处理器可以为光电探测二极管，该光电探测二极管的接收信号面积大于等于lmm2。通过图2显示另外一种CPT原子钟的结构，在该CPT原子钟电路还包括原子气室控温电路106,该原子气室控温电路106用于调节原子气室的温度，在原子钟电路单元中独立控制温度变化的电路子单元，在该被动型相干布居囚禁原子频率信号的原子钟的温度控制中，需要在原子钟的启动开始就要预热，温度达到对应压强所需的温度进而可以输出稳定的频率信如图3所示为本发明的一种相干布局数囚禁原子钟物理单元结构示意图，连接在CPT原子钟闭合环路中，可以作为本发明的一个优选实施例，该原子钟物理单元，包括激光器10、原子气室17和信号接收处理器18;所述激光器通过偏振片12和四分之一波片16输出圓偏振光，该圓偏振光经由包含原子气体和緩冲气体的原子气室17，至信号接收处理器18。其中，所述激光器IO连接激光器及锁定电路锁定控制电路，由激光器支架11支承的激光器10连接电路单元的偏置树103的输出端，该偏置树103驱动并调节激光器10输出的波长和调制信号，激光器IO采用室温下工作波长与原子CPT原子钟的原子气体谱线相符的器件，以减小控温的功率损耗；放置于激光器10的输出端的偏振片包括两组第一组偏振片12连接于激光器的输出端，用于选择单一的线偏振光；第二组偏振片14介于第一组偏振片12和四分之一波片15之间，与所述四分之一波片15结合，用于将所述激光器输出的线偏振光转化为圆偏振光19，并输入所述原子气室17。在具体实现过程中，所述第一组偏振片12和所述第二组偏振片14之间还可以用于调节激光器输出激光光强的衰减片13，所述衰减片13可以为偏振片或中性滤波片，这样通过旋转中间一组衰减片13可以连续的调节光强，进而调节和优化CPT原子钟的探测信号，以提高原子钟的稳定度。一种更优选的实现方式为，所述原子气室17为玻璃气室，为圆柱体型，如图3所示，原子气室17的底面直径与母线长均为大于等于4mm,若原子气室17的底面为矩形时，则该矩形的最短边长大于4mm。另外，在图3中原子气室17还包括至少一个反射镜16，所述圆偏振光19经由所述反射镜16至少一次反射至信号接收处理器18,使得所述圆偏振光19与铷原子气体作用时，其作用距离加长，从而可以得到更高信噪比的探测信号，并降低气室所需温度；使CPT原子钟的输出频率信号更稳定，准确度更高。在本发明中，所述反射镜采用化学反应的银镜制备，且该银镜镀在原子气室的外表面，另外可以采用其它真空镀膜或脉沖激光等来制备银镜，亦可采用介质膜反射镜。为了减少CPT原子钟多普勒镨线加宽现象的出现以及减小CPT信号线宽，在原子气室中混合两种不活泼的气体作为緩冲气体；其中，该緩冲气体可以为，Ar气和N2气、CH4气和N2气，另外为了更好的减少荧光现象，可以选择Ar气和Ne气作为緩沖气体。本发明的原子钟采用自然铷原子蒸汽作为工作物质，原子钟的原子气室的不同参数如下描述原子气室的母线长(mm),原子气室的底面直径(mm)、原子气室中的气体体积(mL)、原子气室中緩冲气体总压强(Torr)、原子气室中緩冲气体比例、激光光束通过原子气室次数、CPT原子钟控温电路的温度选择范围(GC),如下表一所示表一<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>上述小型CPT原子钟，可以根据不同的条件，在选择控温电路和不需控温电路下均可获得正常CPT原子钟信号。所述激光信号在原子气室的有效光程大于等于8mm,所述原子钟不需要控温电路，本实施例中，铷原子气室通过调节緩冲气体比例和压力使得温漂最小，可以室温下进行或温度的误差在20度范围之内就可以，这种装置结构使电路结构简单，在使用上更方便，且减少了功率的消耗，并且能够准确调节激光光强及输出频率，输出频率信号的稳定度更高。在CPT原子钟的结构中，该原子钟物理单元还可以4吏用如图4的结构示意图；该图4中，所述激光器为半导体激光器，优选激光器为VCSEL激光器，该激光器IO输出两个垂直方向的线偏振光，所述线偏振光的波长为795nm。所述原子气室17包含有緩冲气体Ar气和Ne气，该氖气与氩气的压力比范围为1.3:l到l:1.2;另外采用的是铷原子气体作为样品气体。该原子气室17的底面直径与原子气室17的母线长相等均为8mm,原子气室中17的气体体积0.7ml、激光光束通过原子气室次数可以为偶数次或奇数次；图4中实线表示激光信号19实际所走的光程，虚线表示可以调整入射角度和反射镜16面积使激光信号20在原子气室中经过多次反射，激光器IO的输出端输出的激光信号是相同的。在图4的原子钟物理单元的装置结构中，所述激光信号19充分与铷原子作用，CPT原子钟输出的频率漂移大约为1*10—1()/天，且该装置不需要控温电路，电路结构简单、减少功耗。本发明CPT原子钟的优点如下概述1:采用调节緩冲气体比例和压强降低温度敏感性，可以省去控温系统，降低耗能，降低了电路复杂度，故精简CPT原子钟的装置结构，2:以前的气室气体容积较小并且需要加温至80度或以上，本发明气体容积0.7毫升，可以直接在室温工作。3:本发明使用偏振片获得单一的线偏振光，从而可以得到更高信噪比的探测信号，另外还可以通过旋转偏振片直接调节进入气室的激光光强。4:本发明中激光器输出后经调制的圓偏振光经过原子气室有效光程大于等于8mm,激光信号与足够数量的铷原子作用得到更高信噪比的CPT信号,原子钟输出频率信号准确度更高，稳定性更好。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。权利要求1、一种相干布居数囚禁原子钟，其特征在于，包括原子钟电路单元，用于控制所述原子钟的启动、运行与关闭，该原子钟电路单元包括激光器驱动及锁定电路、微波发生器及锁定电路，偏置树，原子气室控温电路，原子钟频率信号输出电路；原子钟物理单元，包括激光器、原子气室和信号接收处理器；所述激光器通过偏振片和四分之一波片输出圆偏振光，该圆偏振光经由包含原子气体的原子气室，至信号接收处理器；所述偏振片为一片或多片；其形状、大小与所述激光器输出的激光光斑相应并便于固定；其中，所述激光器驱动及锁定电路和所述微波发生器及锁定电路的输出信号通过偏置树耦合，驱动和调节激光器，输出所需的激光信号；该激光信号通过原子气室，与原子气体作用获得相干布居数囚禁信息，并到达信号接收处理器；该信号接收处理器连接所述微波发生器及锁定电路，与所述激光器驱动及锁定电路，组成所述原子钟闭合环路，所述两个锁定电路分别接收所述信号接收处理器所给的信号，产生反馈误差信号并进行自动调节，所述原子钟频率信号输出电路连接于所述微波发生器及锁定环路的输出端，输出原子钟标准信号。2、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述偏振片包括两组，第一组偏振片放置于所述激光器的输出端，用于选择单一的线偏振光；第二组偏振片介于所述第一组偏振片和所述四分之一波片之间，与所述四分之一波片组合，用于将所述激光器输出的线偏振光转化为圓偏振光，并输入所述原子气室。3、如权利要求2所述的原子钟，其特征在于，所述第一组偏振片和所述第二组偏振片之间还包括用于调节进入所述原子气室的激光信号光强的衰减片，该衰减片为偏4展片或中性滤;皮片。4、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述原子气室为玻璃气室，且该玻璃气室为圆柱体形状，所述玻璃气室的底面直径与母线长均为大于等于4mm。5、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述原子气室包括至少一个反射镜，所述圆偏振光经由所述反射镜至少一次反射后至所述信号接收处理器。6、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述信号接收处理器为光电探测二极管，该光电探测二极管接收信号的面积大于等于lmm2。7、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述激光器为半导体激光器，该激光器的输出波长为795nm。8、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述原子气室还包含有緩冲气体；所述緩冲气体为氖气与氩气，该氖气与氩气的压力比范围为1.3:1到1:1.2。9、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述原子钟还包括，原子气室控温电路，该原子气室控温电路用于调节原子气室的温度。10、如权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述原子气室所包含的原子气体为铷原子气体。全文摘要本发明提供一种相干布居数囚禁原子钟，其包括原子钟电路单元，用于控制所述原子钟的启动、运行与关闭，原子钟物理单元，包括激光器、原子气室和信号接收处理器；在激光器和原子气室之间增加偏振片，所述激光器通过偏振片和四分之一波片输出圆偏振光，通过旋转中间一组偏振片可以连续的调节光强，进而调节和优化CPT原子钟的探测信号该信号接收处理器连接所述原子钟电路单元，组成所述原子钟闭合环路，该相干布居数囚禁原子钟能够增大探测信号信噪比，功耗小、且稳定度高。文档编号H03L7/26GK101425804SQ200810225078公开日2009年5月6日申请日期2008年10月28日优先权日2008年10月28日发明者何定武,璐刘,刘新元,中汪,科邓,涛郭,陈徐宗申请人:北京大学