專利名稱：具有高對比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被動(dòng)型光抽運(yùn)氣泡式銣原子鐘，特別是一種具有高對比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘。
背景技術(shù)：
原子鐘的發(fā)展歷史最早可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)前后。其主要得益于當(dāng)時(shí)量子力學(xué)和微波波譜學(xué)的快速發(fā)展。早期的微波鐘使用的是非相干光源做抽運(yùn)光和探測光，其后隨著激光器的發(fā)展，激光選態(tài)和檢測方法被應(yīng)用到原子鐘研究以期得到更好的效果。銣原子頻標(biāo)由于短期穩(wěn)定度高，體積小巧，便于攜帶的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的光抽運(yùn)銣原子頻標(biāo)一般采用三能級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖I所示。(參考文獻(xiàn)J. Vanier & C. Mandache.The passive optically pumped Rb frequency standard: the laser approach. AppI.Phys. B 87，565-593 (2007)) 一般地，當(dāng)原子鐘使用87Rb原子介質(zhì)時(shí)，利用激光01和微波誘導(dǎo)躍遷02雙共振技術(shù)。當(dāng)能級(jí)03 (|5S1/2，F(xiàn)=2>)上的原子被抽空以后，原子氣體就不再吸收激光01 了。這時(shí)再加上微波，使原子在能級(jí)03和能級(jí)04 ( I 5S1/2，F(xiàn)=l>)之間發(fā)生磁共振躍遷。躍遷過程使一部分原子被抽運(yùn)到能級(jí)03上，造成能級(jí)03上原子布居數(shù)的改變，從而吸收激光01使原子躍遷到激發(fā)態(tài)05上。最終透過原子氣體的激光01由于被吸收而導(dǎo)致透射光強(qiáng)發(fā)生變化。能級(jí)03上的原子布居數(shù)隨著微波拉比(Rabi)頻率的改變而改變，進(jìn)而對激光01的吸收也改變。因此，通過改變微波的失諧來改變微波的拉比頻率，使 激光01通過原子氣體時(shí)被吸收，形成共振吸收線。該吸收譜線代表微波誘導(dǎo)躍遷02的共振譜線。它可以作為原子頻標(biāo)中鑒頻用的標(biāo)準(zhǔn)譜線。現(xiàn)有的非自激型原子鐘的結(jié)構(gòu)環(huán)路方框圖如圖2所示。(參考文獻(xiàn)王義遒，王慶吉，傅濟(jì)時(shí)，董太乾量子頻標(biāo)原理第四章P239北京科學(xué)出版社1986)其原理是受控晶振I的第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。受控晶振I的第二輸出端提供激勵(lì)并輸出到倍頻綜合器2到第一輸入端。調(diào)制振蕩器3通過第一輸出端把基頻信號(hào)輸出到倍頻綜合器2的第二輸入端。倍頻綜合器2的第二輸入端得到的信號(hào)對倍頻綜合器2的第一輸入端得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從而使激勵(lì)躍遷頻率有一個(gè)小調(diào)頻，并從倍頻綜合器2的輸出端輸出到量子系統(tǒng)5。調(diào)制振蕩器3的第二輸出端提供基波頻率給相檢波器6的第一輸入端。如果倍頻綜合器2的輸出端輸出的激勵(lì)信號(hào)的頻率和量子系統(tǒng)5本身的躍遷譜線中心頻率不相等時(shí)，量子系統(tǒng)5將兩者的頻率差變換為誤差信號(hào)，并通過量子系統(tǒng)5的輸出端輸出到相檢波器6的第二輸入端。此時(shí)工作于基波頻率的相檢波器6將量子系統(tǒng)5輸出的誤差電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢O性的直流糾偏電壓，再由輸出端輸出到直流放大器4的輸入端。直流放大器4將相檢波器6輸出的直流糾偏電壓加以處理，然后由輸出端輸出到受控晶振I的輸入端，以調(diào)整其頻率。倍頻綜合器2的輸出端輸出的激勵(lì)信號(hào)的頻率和量子系統(tǒng)5本身的躍遷譜線中心頻率相等時(shí)，量子系統(tǒng)5的輸出電壓頻率為調(diào)制頻率的兩倍，由量子系統(tǒng)5的輸出端輸出到相檢波器6的輸入端，經(jīng)過基波鑒相后不產(chǎn)生糾偏電壓。所述的量子系統(tǒng)5的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其構(gòu)成包括半導(dǎo)體激光器51，沿該半導(dǎo)體激光器51的輸出方向依次是隔離器53,擴(kuò)束器54,物理裝置50和光電探測器516。所述的物理裝置50所需的微波場是由微波發(fā)生器510通過耦合環(huán)511饋入到微波腔512產(chǎn)生的。微波發(fā)生器510信號(hào)來自于所述的倍頻綜合器2的輸出端。在微波的作用下，原子發(fā)生磁偶極躍遷，即鐘躍遷。光束52經(jīng)過已經(jīng)發(fā)生鐘躍遷的原子氣體以后，將被吸收。隨著微波拉比頻率的改變，透射光光強(qiáng)跟著改變。被光電探測器516探測后得到原子鐘的鑒頻吸收譜線，并輸出到相檢波器6的輸入端。評價(jià)原子鐘的性能指標(biāo)主要是阿蘭方差。根據(jù)阿蘭方差的定義，可知原子鐘的性能主要取決于吸收譜線的對比度?，F(xiàn)有的非自激型原子鐘的一個(gè)缺點(diǎn)是吸收譜線的信號(hào)對比度不夠高。比如，已報(bào)道的微波光雙共振技術(shù)原子鐘能夠得到的最好的信號(hào)對比度不超過 30%。(參考文獻(xiàn)Micalizio, S·，Calosso, C·，Godone, A. & Levi, F. Metrologicalcharacterization of the pulsed Rb clock with optical detection. Metrologia 49,425 - 436 (2012))這是限制被動(dòng)型光抽運(yùn)型氣泡室銣原子鐘性能提高的一個(gè)因素。并且，影響光抽運(yùn)型氣泡室銣原子鐘的另一個(gè)重要缺點(diǎn)是存在光頻移。抽運(yùn)光是頻率很高的電磁場，它作用在原子上會(huì)產(chǎn)生斯塔克效應(yīng)和塞曼效應(yīng)。從而在抽運(yùn)光的作用下，原子能級(jí)產(chǎn)生移動(dòng)，即光頻移。光頻移的存在影響了原子鐘性能的提高?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高對比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘。該銣原子鐘應(yīng)可將透射背景光強(qiáng)濾除，并且消除了一階光頻移，提高鑒頻信號(hào)的對比度和銣原子鐘的性能。本發(fā)明為衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、精密測量提供了高性能的原子鐘。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種具有高對比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘，其構(gòu)成包括受控晶振、倍頻綜合器、調(diào)制振蕩器、直流放大器、量子系統(tǒng)和相檢波器，上述部件的連接關(guān)系如下
所述的受控晶振的輸入端與所述的直流放大器的輸出端相連，所述的受控晶振第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出，所述的受控晶振第二輸出端與所述的倍頻綜合器的第一輸入端相連；
所述的倍頻綜合器的第一輸入端與所述的受控晶振的第二輸出端相連，所述的倍頻綜合器的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器的第一輸出端相連，所述倍頻綜合器的輸出端與所述的量子系統(tǒng)的輸入端相連；
所述的調(diào)制振蕩器的第一輸出端與所述的倍頻綜合器第二輸入端相連，所述的調(diào)制振蕩器第二輸出端與所述的相檢波器第二輸入端相連；
所述的相檢波器的第一輸入端與所述的量子系統(tǒng)輸出端相連，所述的相檢波器的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器的第二輸出端相連；
所述的直流放大器的輸入端與所述的相檢波器的輸出端相連，所述的直流放大器的輸出端與所述的受控晶振的輸入端相連；
所述的量子系統(tǒng)的輸入端與所述的倍頻綜合器的輸出端相連，所述的量子系統(tǒng)輸出端與所述的相檢波器的第一輸入端相連；
所述的量子系統(tǒng)的構(gòu)成包括半導(dǎo)體激光器，沿該半導(dǎo)體激光器的輸出方向依次是隔離器，擴(kuò)束器，物理裝置和光電探測器，其特征在于在所述的擴(kuò)束器和物理裝置之間的光路上設(shè)有第一格蘭泰勒棱鏡，在所述的物理裝置和所述的光電探測器之間設(shè)有第二格蘭泰勒棱鏡，并且所述的第一格蘭泰勒棱鏡與所述的第二格蘭泰勒棱鏡成正交放置。本發(fā)明的技術(shù)效果如下
所述的第一格蘭泰勒棱鏡與所述的第二格蘭泰勒棱鏡的作用如下
光束經(jīng)過所述的第一格蘭泰勒棱鏡后成為線偏振光。所述的物理裝置里面分布有縱向磁場。所述的線偏振光射入到所述的物理裝置時(shí)，可以分解為強(qiáng)度相等，旋性相反的左旋偏振光和右旋偏振光。所述的物理裝置內(nèi)的原子氣體對所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光的吸收相等，色散相反。所述的線偏振光射出所述的物理系統(tǒng)后變成橢圓偏振光。所述的橢圓偏振光經(jīng)過所述的第二格蘭泰勒棱鏡的檢偏作用，得到信號(hào)。首先是得到了 90%的信號(hào)對比度，效果比目前國際上得到的30%的對比度大3倍，對應(yīng)于原子鐘的性能提高3倍；其次是將光的背景濾除，減小光強(qiáng)抖動(dòng)的影響和降低探測信號(hào)混入的噪聲；再次是通過加入所述的第一格蘭泰勒棱鏡和第二格蘭泰勒棱鏡，使所述 的左旋偏振光和所述的右旋偏振光造成的一階光頻移相互抵消，從而提高原子鐘的穩(wěn)定度；最后由于探測的信號(hào)主要是由于原子對光的相位的改變不同引起的，比吸收法的探測靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。


圖I是光抽運(yùn)銣原子頻標(biāo)采用的三能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是原子鐘的環(huán)路框圖。圖3是現(xiàn)有原子鐘的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖2，圖2是原子鐘的環(huán)路框圖。由圖可見，本發(fā)明的構(gòu)成包括受控晶振
I、倍頻綜合器2、調(diào)制振蕩器3、直流放大器4、量子系統(tǒng)5和相檢波器6，上述部件的連接關(guān)系如下
所述的受控晶振I的輸入端與所述的直流放大器4的輸出端相連，所述的受控晶振I第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出，所述的受控晶振I第二輸出端與所述的倍頻綜合器2的第一輸入端相連；
所述的倍頻綜合器2的第一輸入端與所述的受控晶振I的第二輸出端相連，所述的倍頻綜合器2的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器3的第一輸出端相連，所述倍頻綜合器2的輸出端與所述的量子系統(tǒng)5的輸入端相連；
所述的調(diào)制振蕩器3的第一輸出端與所述的倍頻綜合器2第二輸入端相連，所述的調(diào)制振蕩器3第二輸出端與所述的相檢波器6第二輸入端相連；
所述的相檢波器6的第一輸入端與所述的量子系統(tǒng)5輸出端相連，所述的相檢波器6的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器3的第二輸出端相連；
所述的直流放大器4的輸入端與所述的相檢波器6的輸出端相連，所述的直流放大器4的輸出端與所述的受控晶振I的輸入端相連；
所述的量子系統(tǒng)5的輸入端與所述的倍頻綜合器2的輸出端相連，所述的量子系統(tǒng)5輸出端與所述的相檢波器6的第一輸入端相連；
圖4是本發(fā)明的量子系統(tǒng)5的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，所述的量子系統(tǒng)5的構(gòu)成包括半導(dǎo)體激光器51,沿該半導(dǎo)體激光器51的輸出方向依次是隔離器53,擴(kuò)束器54,物理裝置50和光電探測器516,在所述的擴(kuò)束器54和物理裝置50之間的光路上設(shè)有第一格蘭泰勒棱鏡55，在所述的物理裝置50和所述的光電探測器516之間設(shè)有第二格蘭泰勒棱鏡57，并且所述的第一格蘭泰勒棱鏡55與所述的第二格蘭泰勒棱鏡57成正交放置。所述的第一格蘭泰勒棱鏡55與所述的第二格蘭泰勒棱鏡57的作用如下
光束52經(jīng)過所述的第一格蘭泰勒棱鏡55后成為線偏振光56。所述的物理裝置50里 面分布有磁場線圈513，提供縱向橫場。所述的線偏振光56射入到所述的物理裝置50時(shí)，可以分解為強(qiáng)度相等，旋性相反的左旋偏振光和右旋偏振光。所述的物理裝置50內(nèi)的原子氣體對所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光的吸收相等，色散相反。所述的線偏振光56射出所述的物理系統(tǒng)50后變成橢圓偏振光515。所述的橢圓偏振光515經(jīng)過所述的第二格蘭泰勒棱鏡57的檢偏作用，得到信號(hào)。所述的物理裝置50包括磁屏蔽桶58，原子氣室59，微波腔512，螺旋磁場線圈513和加熱線圈514。上述部件的連接關(guān)系如下
所述的原子氣室59內(nèi)部充滿銣原子，放置于所述的微波腔512內(nèi)。所述的螺旋磁場線圈513纏繞在所述的微波腔512外，提供縱向磁場。所述的螺旋磁場線圈513放置于所述的磁屏蔽桶58內(nèi)。所述的磁屏蔽桶58用于屏蔽周圍環(huán)境的磁場。所述的加熱線圈514貼在所述的磁屏蔽桶58的外壁上，用于加熱所述的物理系統(tǒng)50。本發(fā)明用于提高被動(dòng)型氣泡式銣原子原子鐘的性能。實(shí)驗(yàn)表明它可以提高探測靈敏度一個(gè)量級(jí)以上，并得到信號(hào)對比度為90%的鑒頻曲線，比現(xiàn)有常用吸收法得到的信號(hào)對比度提高3倍，對應(yīng)于原子鐘的短期穩(wěn)定度提高3倍。本發(fā)明還可以通過加入所述的第一格蘭泰勒棱鏡和第二格蘭泰勒棱鏡，使所述的左旋偏振光和所述的右旋偏振光造成的一階光頻移相互抵消，從而消除一階光頻移的影響，進(jìn)一步提高原子鐘的性能。
權(quán)利要求
1.一種具有高對比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘，其構(gòu)成包括受控晶振(I)、倍頻綜合器(2)、調(diào)制振蕩器(3)、直流放大器(4)、量子系統(tǒng)(5)和相檢波器(6)，上述部件的連接關(guān)系如下 所述的受控晶振(I)的輸入端與所述的直流放大器(4)的輸出端相連，所述的受控晶振(I)第一輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出，所述的受控晶振(I)第二輸出端與所述的倍頻綜合器(2)的第一輸入端相連； 所述的倍頻綜合器(2)的第一輸入端與所述的受控晶振(I)的第二輸出端相連，所述的倍頻綜合器(2)的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器(3)的第一輸出端相連，所述倍頻綜合器(2)的輸出端與所述的量子系統(tǒng)(5)的輸入端相連； 所述的調(diào)制振蕩器(3)的第一輸出端與所述的倍頻綜合器(2)第二輸入端相連，所述的調(diào)制振蕩器(3)第二輸出端與所述的相檢波器(6)第二輸入端相連； 所述的相檢波器(6)的第一輸入端與所述的量子系統(tǒng)(5)輸出端相連，所述的相檢波器(6)的第二輸入端與所述的調(diào)制振蕩器(3)的第二輸出端相連； 所述的直流放大器(4)的輸入端與所述的相檢波器(6)的輸出端相連，所述的直流放大器(4)的輸出端與所述的受控晶振(I)的輸入端相連； 所述的量子系統(tǒng)(5)的輸入端與所述的倍頻綜合器(2)的輸出端相連，所述的量子系統(tǒng)(5)輸出端與所述的相檢波器(6)的第一輸入端相連； 所述的量子系統(tǒng)(5)的構(gòu)成包括半導(dǎo)體激光器(51)，沿該半導(dǎo)體激光器(51)的輸出方向依次是隔離器(53)，擴(kuò)束器(54)，物理裝置(50)和光電探測器(516)，其特征在于在所述的擴(kuò)束器(54)和物理裝置(50)之間的光路上設(shè)有第一格蘭泰勒棱鏡(55),在所述的物理裝置(50)和所述的光電探測器(516)之間設(shè)有第二格蘭泰勒棱鏡(57)，并且所述的第一格蘭泰勒棱鏡(55)與所述的第二格蘭泰勒棱鏡(57)成正交放置。
全文摘要
一種具有高對比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘，其構(gòu)成包括受控晶振、倍頻綜合器、調(diào)制振蕩器、直流放大器、量子系統(tǒng)和相檢波器，通過在所述的擴(kuò)束器和所述的物理裝置之間的光路上放置第一格蘭泰勒棱鏡，在所述的物理裝置和所述的光電探測器之間放置第二格蘭泰勒棱鏡，并且第一格蘭泰勒棱鏡與第二格蘭泰勒棱鏡成正交放置。本發(fā)明將透射背景光強(qiáng)濾除，并且消除了一階光頻移，提高鑒頻信號(hào)的對比度和銣原子鐘的性能。本發(fā)明為衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、精密測量提供了高性能的原子鐘。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102799103SQ20121028372
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者林錦達(dá), 王育竹, 鄧見遼, 李琳, 何慧娟 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所