一种原子钟及射频控制电路的制作方法

1.本发明涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种原子钟及射频控制电路。


背景技术：

2.原子频率标准，简称原子频标，是原子钟计算时间的重要依据。如何快速、准确的获得准确的原子频标就成为人们关注的重点。其中，由于利用相干布居囚禁(coherent population trapping，cpt)来确定原子频标的原子钟，相对于传统确定原子频标的设备没有谐振腔，所以具有体积小、功耗低、启动快等优点，具有广泛的应用前景。
3.cpt信号的对比度一定程度上表征了cpt原子频标的稳定度，即一定程度上表征了原子钟的性能。现有技术中，原子钟的cpt信号的对比度会随着时间增加而降低，从而导致cpt原子频标的稳定度下降，可见目前原子钟的cpt原子频标的稳定度较低。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种原子钟及射频控制电路，以解决现有的原子钟的cpt原子频标的稳定度较低的问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种原子钟，一种原子钟，包括激光器、处理器、信号检测器、数模转换器和射频控制电路，所述信号检测器用于将所述激光器的激光转化为吸收谱信号，并传输至所述处理器；
6.所述射频控制电路的直流输入端与所述数模转换器电连接，交流输出端与所述激光器电连接；
7.所述处理器用于根据所述吸收谱信号的对称性，调节所述数模转换器的输出电压，以调节所述交流输出端的射频信号功率。
8.可选地，所述射频控制电路包括射频信号发生器、pin二极管、第一电阻、第一电容、第一电感和第二电感，其中，所述射频信号发生器通过所述第一电容和pin二极管与所述交流输出端串联电连接，所述直流输入端通过所述第一电阻、第一电感、第二电感和pin二极管串联接地。
9.可选地，所述处理器用于获取所述吸收谱信号中n个吸收峰的归一化透射强度，并通过调节所述数模转换器的输出电压，调节第一吸收峰两侧的吸收峰的归一化透射强度，以使所述第一吸收峰两侧的第二吸收峰和第三吸收峰的归一化透射强度差在预设阈值内；
10.其中，所述第一吸收峰为所述n个吸收峰中归一化透射强度最高的吸收峰，所述第二吸收峰与所述第一吸收峰相距的吸收峰个数，与所述第三吸收峰与所述第一吸收峰相距的吸收峰个数相等。
11.可选地，所述射频控制电路还包括第二电容、第三电感和可调直流源，所述交流输出端通过所述第二电容与所述激光器电连接；所述可调直流源通过所述第三电感与所述激光器电连接。
12.可选地，所述数模转换器的输出电压范围为0～2.5v。
13.可选地，所述处理器为单片机。
14.第二方面，本发明实施例还提供一种射频控制电路，应用于原子钟，所述原子钟包括数模转换器、激光器和所述射频控制电路，所述射频控制电路的直流输入端与所述数模转换器电连接，交流输出端与所述激光器电连接，所述射频控制电路包括射频信号发生器、pin二极管、第一电阻、第一电容、第一电感和第二电感，其中，所述射频信号发生器通过所述第一电容和pin二极管与所述交流输出端串联电连接，所述直流输入端通过所述第一电阻、第一电感、第二电感和pin二极管串联接地；
15.所述数模转换器用于通过调节输出电压，调节所述pin二极管的电阻，以控制所述交流输出端的射频信号的功率。
16.可选地，所述射频控制电路，所述射频控制电路还包括第二电容、第三电感和可调直流源，所述交流输出端通过所述第二电容与所述激光器电连接；所述可调直流源通过所述第三电感与所述激光器电连接。
17.可选地，所述数模转换器的输出电压范围为0～2.5v。
18.本发明实施例中的原子钟可以通过信号检测器检测激光器发射激光的吸收谱信号，并将吸收谱信号传输至处理器，由处理器根据吸收谱信号的对称性，自动调节数模转换器的输出电压，以调节射频控制电路交流输出端的射频信号功率，使得吸收谱信号的对称性达到最佳，此时cpt信号的对比度最大，即本发明实施例处理器可以根据吸收谱信号，对射频信号功率实现自动控制调节，以使cpt信号的对比度始终保持最大值，从而使得cpt原子频标有较高的稳定度。
19.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1是本发明实施例提供的原子钟的部分结构示意图；
22.图2是本发明实施例提供的射频控制电路的结构示意图；
23.图3是本发明实施例提供的激光吸收谱图之一；
24.图4是本发明实施例提供的激光吸收谱图之二；
25.图5是本发明实施例提供的激光吸收谱图之三。
具体实施方式
26.下面将详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或
两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.参见图1至图2，本发明实施例提供了一种原子钟，包括激光器100、处理器200、信号检测器300、数模转换器400和射频控制电路500，所述信号检测器300用于将所述激光器100的激光转化为吸收谱信号，并传输至所述处理器200；
31.所述射频控制电路500的直流输入端与所述数模转换器400电连接，交流输出端与所述激光器100电连接；
32.所述处理器200用于根据所述吸收谱信号的对称性，调节所述数模转换器400的输出电压，以调节所述交流输出端的射频信号功率。。
33.在本发明实施例中，上述信号检测器300可以接收激光器100发射的激光，并将入射激光转化为吸收谱信号，上述吸收谱信号可以传递至上述处理器200中，从而上述处理器200可以根据吸收谱信号的对称性自动控制上述射频控制电路500的输入电压，以保证上述cpt原子频标的稳定性，使得原子钟精确稳定运行。
34.发明人在通过比较不同射频信号功率下的激光吸收谱时发现，由两个一阶边带产生的吸收峰深度随着微波功率的增加，先从小变大，再从大变小，因此存在最佳的射频信号功率使得两个一阶边带的功率之和达到最强，吸收的强度在这附近达到最大，即同一频率段下的射频信号存在最佳的功率，使得两个一阶边带的功率之和达到最强，此时cpt信号的对比度最大，cpt原子频标有较好的稳定度。
35.由上述内容可知，存在射频信号功率与cpt信号对比度的最佳匹配点，使得cpt信号对比度在该射频信号功率下达到最大。由于不同原子钟物理系统结构的差异，上述最佳匹配点并不一致，因此本发明实施例可以通过上述处理器200控制并微调上述射频信号功率，以使得cpt信号的对比度达到最大，从而保证原子钟的cpt原子频标的稳定性。
36.同时，发明人还发现，在吸收谱信号达到最佳对称性时，上述cpt信号的对比度达到最大。参照图3至图5，图3至图5即为不同射频信号功率下的吸收谱信号的示意图，横坐标为输入上述激光器的电流信号的强度，与上述交流输出端的射频信号功率为正相关关系，纵坐标为上述激光的归一化透射强度。处理器200可以根据吸收谱信号的对称性，自动调节上述射频信号功率，以使吸收谱信号达到最佳对称性。
37.上述数模转换器400可以与上述射频控制电路500的直流输入端电连接，上述处理器200可以通过控制上述数模转换器400的输出电压，从而控制上述射频控制电路500交流
输出端的射频信号功率。具体地，上述输出电压可以通过作用于射频衰减器以产生相应的射频电阻，用以调节上述射频控制电路500最终输出的射频信号功率。
38.本发明实施例中的原子钟可以通过信号检测器检测激光器发射激光的吸收谱信号，并将吸收谱信号传输至处理器，由处理器根据吸收谱信号的对称性，自动调节数模转换器的输出电压，以调节射频控制电路交流输出端的射频信号功率，使得吸收谱信号的对称性达到最佳，此时cpt信号的对比度最大，即本发明实施例处理器可以根据吸收谱信号，对射频信号功率实现自动控制调节，以使cpt信号的对比度始终保持最大值，从而使得cpt原子频标有较高的稳定度。
39.可选地，所述射频控制电路500包括射频信号发生器501、pin二极管502、第一电阻503、第一电容504、第一电感505和第二电感506，其中，所述射频信号发生器501通过所述第一电容504和pin二极管502与所述交流输出端串联电连接，所述直流输入端通过所述第一电阻503、第一电感505、第二电感506和pin二极管502串联接地；
40.所述处理器200通过控制所述数模转换器400的输出电压调节所述pin二极管502的等效电阻，以调节所述交流输出端的射频信号功率。
41.在本发明实施例中，参照图2，上述射频控制电路500可以包括射频信号发生器501、pin二极管502、第一电阻503、第一电容504、第一电感505和第二电感506。上述pin二极管502为在p和n半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(intrinsic)半导体层，组成的这种p-i-n结构的二极管。由于pin二极管502具有极小的寄生参数，并且微波损耗低。而且pin二极管502的射频电阻与直流偏置电流有关，所以可以用它作为射频衰减器。
42.上述直流输入端可以通过上述第一电阻503、第一电感505、第二电感506和pin二极管502串联形成的直流通路接地，在上述直流通路中，上述第一电感505和第二电感506可以起到隔交流电，通直流电的作用，而上述第一电阻503可以起到限流作用，上述数模转换器400的输出电压可以至少部分施加于上述pin二极管502上。
43.由pin二极管的工作特性可知，当pin二极管加正向偏置电压时，p区和n区的多子会注入到i区，并在i区复合。当注入载流子和复合载流子相等时，电流i达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当pin二极管正向偏置时，呈低阻特性。正向偏压越大，注入i层的电流就越大，i层载流子越多，使得其电阻越小。p区和n区的多子会注入到i区，并在i区复合。当注入载流子和复合载流子相等时，电流i达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当pin二极管正向偏置时，呈低阻特性。正向偏压越大，注入i层的电流就越大，i层载流子越多，使得其电阻越小。
44.在本发明实施例中，可以通过调节施加在上述pin二极管502上的正向偏置电压，即通过调节上述数模转换器400的输出电压，可以调节上述pin二极管502的等效电阻，由于上述pin二极管502与上述射频发生器电连接，因此上述pin二极管502的等效电阻为射频衰减电阻，随着上述等效电阻的减小，上述射频信号的功率会增大，处理器200可以按照上述射频信号功率的预设调节幅度，计算得到上述pin二极管502的等效电阻，从而可以根据pin二极管502的等效电阻与直流偏置电流间的关系，确定上述数模转换器400的输出电压。
45.本发明实施例通过设置pin二极管502，pin二极管的工作特性使得处理器200可以通过控制所述数模转换器400的输出电压调节所述pin二极管502的等效电阻，以调节所述交流输出端的射频信号功率，通过pin二极管502可以实现射频信号功率的微调，提升了射
频信号功率的调整精度。
46.需要说明的是，上述第一电阻503的阻值可以根据实际需要进行设置。示例性地，若上述数模转换器400的输出电压范围为0～2.5v，取中间值1.25v，若所需的等效电阻约为50ω，由pin二极管502的特性可知正向偏置电流约为0.05ma，可以将上述第一电阻503的阻值设置为r＝(1.25*1000)/0.05＝25kω。根据原子钟的cpt信号的测量可以调整dac输出值，达到cpt信号的对比度最大值。
47.上述第一电容504的作用为隔直流，通交流，具体电容值可以根据实际需要进行设置，在此不作进一步的限定。
48.可选地，所述处理器200用于获取所述吸收谱信号中n个吸收峰的归一化透射强度，并通过调节所述数模转换器的输出电压，调节第一吸收峰两侧的吸收峰的归一化透射强度，以使所述第一吸收峰两侧的第二吸收峰和第三吸收峰的归一化透射强度差在预设阈值内；
49.其中，所述第一吸收峰为所述n个吸收峰中归一化透射强度最高的吸收峰，所述第二吸收峰与所述第一吸收峰相距的吸收峰个数，与所述第三吸收峰与所述第一吸收峰相距的吸收峰个数相等。
50.在本发明实施例中，参照图3至图5，图3至图5即为不同射频信号功率下的吸收谱信号的示意图，横坐标为输入上述激光器的电流信号的强度，与上述交流输出端的射频信号功率为正相关关系，纵坐标为上述激光的归一化透射强度。其中，图3的射频信号功率小于图4，图4的射频信号功率介于图3和图5之间。由上述内容可知，当吸收谱信号的对称性达到最佳时，此时的射频信号功率可以使得上述cpt信号的对比度达到最大值。
51.具体地，上述吸收谱信号的对称性可以基于第一吸收峰两侧的吸收峰的归一化透射强度确定，在图3至图5中，吸收峰a即为归一化透射强度最大的第一吸收峰，吸收峰b为第二吸收峰，吸收峰c为第三吸收峰。由图可知，第二吸收峰和第三吸收峰为第一吸收峰两侧的吸收峰，且两者与第一吸收峰间隔吸收峰的个数相等。
52.在图3中，上述第二吸收峰的的归一化透射强度大于第三吸收峰，图4中第二吸收峰的归一化透射强度小于第三吸收峰。因此，处理器200可以调节数模转换器的输出电压，使得交流输出端的射频信号功率在图3至图5的信号功率之间调整，以使得上述第二吸收峰和第三吸收峰的归一化透射强度差在预设阈值内，得到对称性最佳的图4。
53.需要说明的是，上述预设阈值可以为预设固定值，即常数。当然，上述预设阈值也可以与第二吸收峰和第三吸收峰的归一化透射强度相关，例如上述预设阈值可以设置为第二吸收峰和第三吸收峰的归一化透射强度平均值的2％、3％或5％等等，具体可以根据实际需要进行设置，在此不作进一步的限定。
54.本发明实施例中，处理器200可以通过获取上述吸收谱信号中n个吸收峰的归一化透射强度，并通过调节数模转换器的输出电压，调节射频信号功率，使得吸收谱信号中n个吸收峰关于第一吸收峰的对称性最佳，从而实现了射频信号功率的自动控制。
55.可选地，所述射频控制电路500还包括第二电容507、第三电感508和可调直流源509，所述交流输出端通过所述第二电容507与所述激光器100电连接；所述可调直流源509通过所述第三电感508与所述激光器100电连接。
56.在本发明实施例中，上述激光器100可以经上述交流输出端的射频信号和上述可
调直流源509的直流信号共同作用，最终产生激光。上述第二电容507可以起到隔直流，通交流的作用，上述第三电感508可以起到隔交流，通直流的作用。
57.可选地，所述数模转换器400的输出电压范围为0～2.5v。
58.可选地，所述处理器200为单片机。
59.本发明实施例还提供了一种射频控制电路500，应用于原子钟，所述原子钟包括数模转换器400、激光器100和所述射频控制电路500，所述射频控制电路500的直流输入端与所述数模转换器400电连接，交流输出端与所述激光器100电连接，所述射频控制电路500包括射频信号发生器501、pin二极管502、第一电阻503、第一电容504、第一电感505和第二电感506，其中，所述射频信号发生器501通过所述第一电容504和pin二极管502与所述交流输出端串联电连接，所述直流输入端通过所述第一电阻503、第一电感505、第二电感506和pin二极管502串联接地；
60.所述数模转换器400用于通过调节输出电压，调节所述pin二极管502的等效电阻，以控制所述交流输出端的射频信号的功率。
61.本发明实施例的有益效果具体可以参照上述原子钟实施例，为避免重复，在此不再赘述。
62.可选地，所述射频控制电路500还包括第二电容507、第三电感508和可调直流源509，所述交流输出端通过所述第二电容507与所述激光器100电连接；所述可调直流源509通过所述第三电感508与所述激光器100电连接。
63.可选地，所述数模转换器400的输出电压范围为0～2.5v。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。