專利名稱：激勵(lì)原子躍遷裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)量技術(shù)，尤其涉及一種激勵(lì)原子躍遷裝置和方法。
背景技術(shù)：
實(shí)驗(yàn)室型原子噴泉鐘是利用原子一對(duì)能級(jí)的躍遷譜線，使激勵(lì)原子躍遷的裝置產(chǎn)生與原子能級(jí)躍遷譜線中心頻率一致的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)原子實(shí)現(xiàn)所需的能級(jí)躍遷，復(fù)現(xiàn)秒定義?，F(xiàn)有技術(shù)中，利用晶體振蕩器為參考源，通過鑒相、環(huán)路 濾波及相應(yīng)的分頻或倍頻技術(shù)，將壓控振蕩器鎖定在參考源上。但是，由于其運(yùn)用晶體振蕩器為參考源，受晶體振蕩器本身技術(shù)指標(biāo)的限制，該方法產(chǎn)生的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度無法達(dá)到時(shí)間頻率基準(zhǔn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種激勵(lì)原子躍遷裝置和方法，用以提高激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度。一方面，本發(fā)明提供一種激勵(lì)原子躍遷裝置，包括頻率源部、微波綜合部和原子激勵(lì)部；所述頻率源部用于產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定的低頻信號(hào)；所述微波綜合部用于接收所述頻率源部的低頻信號(hào)，并結(jié)合所述微波綜合部產(chǎn)生的短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)；所述原子激勵(lì)部用于接收所述激勵(lì)信號(hào)并激勵(lì)原子發(fā)生躍遷。另一方面，本發(fā)明提供一種激勵(lì)原子躍遷方法，包括產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)；根據(jù)所述中間控制信號(hào)產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。本發(fā)明提供的激勵(lì)原子躍遷裝置和方法，通過利用頻率源部產(chǎn)生的長(zhǎng)期穩(wěn)定的低頻信號(hào)和微波綜合部產(chǎn)生的短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，提高了激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度。


圖I為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例五的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例六的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例七的結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷方法實(shí)施例一的流程圖；圖9為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷方法實(shí)施例二的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖I為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的激勵(lì)原子躍遷裝置包括頻率源部101、微波綜合部102和原子激勵(lì)部103。頻率源部101用于產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定的低頻信號(hào)；微波綜合部102用于接收頻率源部101的低頻信號(hào)，并結(jié)合微波綜合部102產(chǎn)生的短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)；原子激勵(lì)部103用于接收激勵(lì)信號(hào)并激勵(lì)原子發(fā)生躍遷。具體的，頻率源部101可以采用氫鐘等作為頻率源，以提供具有良好長(zhǎng)期穩(wěn)定度的低頻信號(hào)；微波綜合部102接收頻率源部101的低頻信號(hào)，生成具有良好短期穩(wěn)定度的低·頻信號(hào)，且將該低頻信號(hào)的頻率鎖定到頻率源部101輸出信號(hào)的頻率，再進(jìn)一步的生成激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，從而保證激勵(lì)信號(hào)的頻率具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。本實(shí)施例中，通過利用頻率源部101產(chǎn)生的長(zhǎng)期穩(wěn)定的低頻信號(hào)和微波綜合部102產(chǎn)生的短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，提高了激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度。圖2為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的激勵(lì)原子躍遷裝置不僅包括頻率源部101、微波綜合部102和原子激勵(lì)部103，還包括誤差校準(zhǔn)部201。誤差校準(zhǔn)部201的輸入端與原子激勵(lì)部103連接，誤差校準(zhǔn)部201的輸出端與微波綜合部102連接。誤差校準(zhǔn)部201用于根據(jù)原子躍遷幾率計(jì)算微波綜合部102產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)與原子諧振頻率之間的誤差值，并將誤差值反饋給微波綜合部102。具體的，誤差校準(zhǔn)部201根據(jù)原子躍遷幾率計(jì)算微波綜合部102產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)與原子諧振頻率之間的誤差，并將誤差值反饋給微波綜合部102，微波綜合部102根據(jù)誤差校準(zhǔn)部201反饋的誤差值對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，從而保證微波綜合部102產(chǎn)生的原子躍遷激勵(lì)信號(hào)的精確度。本實(shí)施例中，微波綜合部102通過利用誤差校準(zhǔn)部201反饋的激勵(lì)信號(hào)與原子諧振頻率之間的誤差值，對(duì)產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)輸出激勵(lì)原子躍遷的精確頻率信號(hào)，提高了原子躍遷的準(zhǔn)確度。圖3為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，如上所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其中，微波綜合部102具體可以包括短穩(wěn)頻率單元301、第一頻率合成單元302、第二頻率合成單元303、第一混頻器304和頻率調(diào)理單元305。短穩(wěn)頻率單兀301的輸入纟而與頻率源部101的輸出纟而連接、短穩(wěn)頻率單兀301的輸出端與第一頻率合成單元302輸入端連接，第一頻率合成單元302、第二頻率合成單元303的輸出端與第一混頻器304輸入端連接，第一頻率合成單元302、第一混頻器304的輸出端與頻率調(diào)理單元305連接。短穩(wěn)頻率單元301用于產(chǎn)生短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，頻率源部101能夠保證短穩(wěn)頻率單元301產(chǎn)生的低頻信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定；第一頻率合成單元302用于產(chǎn)生靠近所激勵(lì)原子的諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)；第二頻率合成單元用于根據(jù)誤差校準(zhǔn)部201反饋的誤差信號(hào)產(chǎn)生頻率校準(zhǔn)信號(hào)；頻率調(diào)理單元305用于調(diào)理第一頻率合成單元302和第二頻率合成單元303的輸出信號(hào)，生成激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。具體的，短穩(wěn)頻率單元301接收頻率源部101產(chǎn)生的具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度的低頻信號(hào)，并生成同頻率的具有短期穩(wěn)定度的低頻信號(hào)；第一頻率合成單元302利用短穩(wěn)頻率單元301輸出的低頻信號(hào)，產(chǎn)生接近所激勵(lì)原子的諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)；第二頻率合成單元303根據(jù)誤差校準(zhǔn)部201輸出的反應(yīng)當(dāng)前激勵(lì)信號(hào)與原子諧振頻率誤差值的誤差信號(hào)，生成相應(yīng)的低頻調(diào)整信號(hào)，第一混頻器304將第一頻率合成單元302輸出的高頻信號(hào)和第二頻率合成單元303輸出的低頻調(diào)整信號(hào)進(jìn)行混頻處理，輸出到頻率調(diào)理單元305 ;頻率調(diào)理單元305將第一混頻器304輸出的高頻信號(hào)通過與第一頻率合成單元302輸出的調(diào)理控制信號(hào)進(jìn)行處理，生成最終的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。本實(shí)施例中，微波綜合部102通過將短穩(wěn)頻率單元301與頻率源部101相結(jié)合，為激勵(lì)原子躍遷裝置提供了具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的頻率源信號(hào)，并進(jìn)一步的通過頻 率調(diào)理單元305對(duì)第一混頻器304輸出的高頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，實(shí)現(xiàn)輸出具有較高穩(wěn)定度和精確度的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，提高了原子躍遷的準(zhǔn)確度。圖4為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，如上所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其中，短穩(wěn)頻率單元301包括依次連接的第二混頻器401、放大低通器402、低頻振蕩器403和第一分配放大器404。第一分配放大器404的輸出端與第二混頻器401輸入端連接，頻率源部101的輸出端與第二混頻器401輸入端連接；第一分配放大器404的輸出端與第一頻率合成單元302連接。第二混頻器401用于對(duì)頻率源部101和第一分配放大器404輸出的低頻信號(hào)進(jìn)行頻率混合，并檢測(cè)兩個(gè)低頻信號(hào)的頻率值偏差；放大低通器402用于將第二混頻器401輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行功率放大并低通濾波；低頻振蕩器403用于產(chǎn)生短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，并根據(jù)放大低通器403輸出的信號(hào)進(jìn)行頻率微調(diào)；第一分配放大器404用于將低頻振蕩器403輸出的信號(hào)反饋給第二混頻器401，并輸出給第一頻率合成單元302。具體的，第二混頻器401將頻率源部101提供的低頻信號(hào)源與短穩(wěn)頻率單元301的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻處理，得到兩個(gè)信號(hào)的頻率差值；放大低通器402將第二混頻器401輸出的頻率誤差信號(hào)放大和低通濾波后，作為控制信號(hào)輸出到低頻振蕩器403 ;低頻振蕩器403用來生成具有良好穩(wěn)定度的低頻信號(hào)，可以采用晶振來實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)來自放大低通器402的控制信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)頻率進(jìn)行微調(diào)，低頻振蕩器403輸出的低頻信號(hào)經(jīng)第一分配放大器404功率放大，一路反饋給第二混頻器401，一路輸出到微波綜合部102的第一頻率合成單元302。本實(shí)施例中，通過將短穩(wěn)頻率單元301輸出信號(hào)與頻率源部101輸出信號(hào)的頻率差值信號(hào)，經(jīng)低通放大后作為控制低頻振蕩器403的頻率調(diào)整信號(hào)，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)將短穩(wěn)頻率單元301的輸出信號(hào)頻率鎖定到頻率源部101輸出信號(hào)的頻率，為激勵(lì)原子躍遷裝置提供了具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的頻率源信號(hào)。圖5為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例五的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，如上所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其中，第一頻率合成單元302包括依次連接的倍頻器501、第二分配放大器502和高頻振蕩器503。
倍頻器501用于接收并放大第一分配放大器404輸出的低頻信號(hào)；第二分配放大器502用于將倍頻器501輸出的高頻信號(hào)分配給高頻振蕩器503和頻率調(diào)理單元305 ;高頻振蕩器503用于產(chǎn)生靠近原子諧振頻率的高頻信號(hào)。具體的，倍頻器501將來自短穩(wěn)頻率單元301的低頻信號(hào)倍頻到一個(gè)合適的高頻頻率，第二分配放大器502將來自倍頻器501的高頻信號(hào)一路輸出給微波綜合部102的頻率調(diào)理單元305，一路輸出給第一頻率合成單元302的高頻振蕩器503，高頻振蕩器503進(jìn)一步生成接近原子諧振頻率的高頻信號(hào)，后續(xù)經(jīng)頻率調(diào)理單元305調(diào)理后輸出激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。本實(shí)施例中，通過將短穩(wěn)頻率單元301輸出的低頻信號(hào)倍頻到一個(gè)合適的高頻頻率，再經(jīng)第二分配放大器502的作用，一路經(jīng)高頻振蕩器503生成接近原子諧振頻率的高頻信號(hào)，一路作為頻率調(diào)理單元305的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出具有較高精確度的激勵(lì)原子躍遷 的激勵(lì)信號(hào)，提高了原子躍遷的準(zhǔn)確度。圖6為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例六的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，如上所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其中，第二頻率合成單元303包括頻率合成器601，頻率合成器601用于接收誤差校準(zhǔn)部的誤差信號(hào)并產(chǎn)生反應(yīng)誤差數(shù)值的頻率信號(hào)。具體的，第二頻率合成單元303主要由頻率合成器601組成，頻率合成器601根據(jù)誤差校準(zhǔn)部201反饋的激勵(lì)信號(hào)與原子諧振頻率之間的誤差值，生成可以反映該誤差數(shù)值的頻率信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，誤差校準(zhǔn)部201可以反饋給第二頻率合成單元303反應(yīng)激勵(lì)信號(hào)頻率與原子諧振頻率之間的誤差值的數(shù)字信號(hào)或者模擬信號(hào)，相應(yīng)的，頻率合成器601可以采用數(shù)字頻率合成器實(shí)現(xiàn)或者采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中，第二頻率合成單元303的頻率合成器601通過將誤差校準(zhǔn)部201反饋的激勵(lì)信號(hào)頻率與原子諧振頻率之間的誤差值轉(zhuǎn)換成反映該誤差數(shù)值的頻率信號(hào)，并進(jìn)一步的通過第一混頻器304對(duì)第一頻率合成單元302的輸出頻率進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)誤差校準(zhǔn)部201輸出的誤差值對(duì)第一混頻器304的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，提高了微波綜合部102輸出的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的精確度。圖7為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置實(shí)施例七的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，如上所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其中，頻率調(diào)理單元305包括兩路功分器701、功率衰減器702、信號(hào)合成器703、移相器704、PIN開關(guān)705和第三混頻器706。兩路功分器701的一路與功率衰減器702和信號(hào)合成器703依次連接，另一路功分器與移相器704和PIN開關(guān)705依次連接，PIN開關(guān)705與信號(hào)合成器703連接；第三混頻器706輸入端與第一混頻器304和信號(hào)合成器703的輸出端連接，第三混頻器706的輸出端與原子激勵(lì)部103的輸入端連接。兩路功分器701用于將第二分配放大器502輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大并分配給功率衰減器702和移向器704 ;功率衰減器702用于衰減接收的信號(hào)；移相器704用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行移相；PIN開關(guān)705用于接收TTL電平，控制信號(hào)通道的開啟或關(guān)閉；信號(hào)合成器703用于合成功率衰減器702和PIN開關(guān)705輸出的信號(hào)。在激勵(lì)原子躍遷裝置的實(shí)際應(yīng)用中，由于原子激勵(lì)部103的每個(gè)工作周期內(nèi)，原子將兩次經(jīng)過微波激勵(lì)腔與微波發(fā)生作用，要求微波綜合部102可以在每個(gè)工作周期內(nèi)僅打開兩次，其余時(shí)間關(guān)閉，以減少微波泄漏的影響。
具體的，兩路功分器701將來自第一頻率合成單元302的倍頻信號(hào)進(jìn)行功率放大和分配，一路輸出到功率衰減器702，一路輸出到移相器704。功率衰減器702將來自兩路功分器701的信號(hào)衰減到信號(hào)合成器703的正常工作電壓，移相器704將來自兩路功分器701的頻率信號(hào)進(jìn)行移相，PIN開關(guān)705利用計(jì)算機(jī)機(jī)輸出的TTL(Transistor-TransistorLogic,晶體管-晶體管邏輯)電平實(shí)現(xiàn)控制射頻信號(hào)通道的開啟與關(guān)斷，信號(hào)合成器703將來自功率衰減器702和PIN開關(guān)705的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)合成，當(dāng)PIN開關(guān)705合上時(shí)，調(diào)整移相器704,使信號(hào)合成器703兩端的輸入端信號(hào)抵消，無信號(hào)輸出，當(dāng)PIN開關(guān)705開啟時(shí)，移相器704端的信號(hào)被切斷,信號(hào)合成器703輸出未經(jīng)移相的頻率信號(hào)。第三混頻器706將來自第一混頻器304和信號(hào)合成器703的信號(hào)混頻，生成具有一致性相位特性的微波信號(hào)。本實(shí)施例中，通過利用頻率調(diào)理單元305生成微波干涉開關(guān)信號(hào)，避免了控制開關(guān)信號(hào)引起的附加相位，實(shí)現(xiàn)了原子躍遷激勵(lì)信號(hào)的一致性和穩(wěn)定性，提高了原子躍遷的準(zhǔn)確度。 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將結(jié)合圖7，以激勵(lì)9. 19GHz的銫原子躍遷為例介紹本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。激勵(lì)其它原子躍遷的情形與激勵(lì)銫原子躍遷的情形類似，因此本發(fā)明并不限制于此。在本實(shí)施例中，頻率源部101采用5MHz的氫鐘作為頻率源，低頻振蕩器403采用具有良好短期穩(wěn)定度的5MHz晶振來實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)來自放大低通器402的控制信號(hào)對(duì)輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。第二混頻器401將頻率源部101輸出的5MHz信號(hào)與短穩(wěn)頻率單元301中的第一分配放大器404輸出的5MHz信號(hào)進(jìn)行混頻以得到兩個(gè)信號(hào)的頻率差值。在通過放大低通器402的低通放大之后，作為頻率調(diào)整信號(hào)控制低頻振蕩器403的頻率生成的控制信號(hào)，周而復(fù)始，從而將短穩(wěn)頻率單元301生成的頻率信號(hào)鎖定到頻率源部101輸出信號(hào)的頻率,從而保證了所生成的頻率信號(hào)的長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定度特性。在本實(shí)施例中，倍頻器501采用了 20倍頻的方案。高頻振蕩器503采用了DRO(DR0,介質(zhì)諧振振蕩器)的技術(shù)方案，工作頻率為9. 3GHz，接近銫原子的躍遷頻率9. 19GHz ο倍頻器501將短穩(wěn)頻率單元301輸出的低頻信號(hào)20倍頻到100MHz，通過第二分配放大器502 —路輸出到頻率調(diào)理單元305，一路輸出到工作在9. 3GHz的高頻振蕩器503，高頻振蕩器503輸出頻率在9. 2GHz附近的高頻信號(hào)，接近銫原子的躍遷頻率9. 19GHz。在本實(shí)施例中，第二頻率合成單元303，采用了數(shù)字頻率合成器DDS的實(shí)現(xiàn)方案，該DDS工作在7. 368MHz。第一混頻器304將第一頻率合成單元302輸出的9. 3GHz高頻信號(hào)與第二頻率合成單元303輸出的7. 368230MHz低頻調(diào)整信號(hào)通過混頻，生成兩者頻率差值的高頻信號(hào)9292631770Hz，輸出到頻率調(diào)理單元305。頻率調(diào)理單元305對(duì)第一混頻器304輸出的高頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后生成最終的原子躍遷激勵(lì)信號(hào)。本實(shí)施例中，兩路功分器701的輸入信號(hào)的頻率為100MHz，功分器第二輸出端(90度移相端)接射頻移相器704，射頻移相器704的壓控調(diào)相范圍是O度 220度，電壓調(diào)節(jié)范圍是0V 12V。100MHz的頻率信號(hào)移相后接PIN開關(guān)705后，與兩路功分器701第一輸出端經(jīng)信號(hào)合成器703輸出頻率為100MHz的信號(hào)。調(diào)節(jié)移相器704，使信號(hào)合成器703輸入兩端的100MHz信號(hào)相位相差180度，TTL電平控制PIN開關(guān)705從而控制移相器704的信號(hào)輸出。信號(hào)合成器703輸入端未移相端信號(hào)是連續(xù)輸出的,只是當(dāng)PIN開關(guān)705合上時(shí),信號(hào)合成器703兩輸入端頻率為IOOMHz的信號(hào)相抵消,無信號(hào)輸出，從而信號(hào)合成器703與第一混頻器304經(jīng)第三混頻器706混頻后，輸出頻率為9292631770Hz的高頻信號(hào)，此信號(hào)頻率遠(yuǎn)離銫原子的躍遷頻率。當(dāng)PIN開關(guān)705打開,移相器704的信號(hào)被切斷,信號(hào)合成器703輸出未移相的IOOMHz的頻率信號(hào)，信號(hào)合成器703與第一混頻器304經(jīng)第三混頻器706混頻后，輸出頻率為9192631770Hz激勵(lì)銫原子躍遷的高頻信號(hào)。重復(fù)上述動(dòng)作，可以看出，激勵(lì)原子躍遷裝置中的銫原子在原子激勵(lì)部103的每個(gè)工作周期內(nèi)，兩次經(jīng)過微波激勵(lì)腔與微波發(fā)生作用時(shí)感受到的激勵(lì)信號(hào)是未間斷的同一路信號(hào)，不存在相位擾動(dòng)的問題。
本實(shí)施例中，激勵(lì)銫原子躍遷的裝置，通過第一頻率合成單元302對(duì)短穩(wěn)頻率單元301輸出的5MHz信號(hào)20倍頻為IOOMHz信號(hào)，再經(jīng)分配放大后產(chǎn)生兩路相互隔離的IOOMHz頻率信號(hào)，一路輸出作為9. 3GHz高頻振蕩器503的參考信號(hào)輸入，使高頻振蕩器503輸出標(biāo)準(zhǔn)的9. 3GHz頻率信號(hào)，再與第二頻率合成單元303輸出的7. 368MHz誤差調(diào)整信號(hào)混頻，第一混頻器304射頻端輸出的9. 292GHz信號(hào)，經(jīng)隔離放大后與頻率調(diào)理單元305輸出的信號(hào)混頻濾波后，得到精確的9. 192631770GHz的銫原子躍遷頻率信號(hào)。本實(shí)施例中各器件的參數(shù)都是根據(jù)本實(shí)例的9. 19GHz銫原子的激勵(lì)信號(hào)所作的優(yōu)化選擇。在激勵(lì)其它原子時(shí)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況優(yōu)化選擇各器件的參數(shù)。圖8為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷方法實(shí)施例一的流程圖。如圖8所示，本實(shí)施例的方法可以包括S801、產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)。具體的，可以采用氫鐘等作為頻率源，以提供具有良好長(zhǎng)期穩(wěn)定度的低頻控制信號(hào)，進(jìn)一步的，可以利用具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的低頻控制信號(hào)生成同頻率的具有短期穩(wěn)定度的低頻信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)方式可以通過低頻振蕩器、混頻器等。S802、根據(jù)中間控制信號(hào)產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。具體的，根據(jù)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)生成激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，從而保證激勵(lì)信號(hào)的頻率具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，其實(shí)現(xiàn)方式可以通過高頻振蕩器、混頻器等。本實(shí)施例中，通過利用具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度的低頻控制信號(hào)生成同頻率的具有短期穩(wěn)定度的低頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，提高了激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度。圖9為本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷方法實(shí)施例二的流程圖。如圖9所示，在圖8所示本發(fā)明激勵(lì)原子躍遷方法實(shí)施例一的基礎(chǔ)之上，激勵(lì)原子躍遷裝置還可以首先生成靠近原子諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)，然后再進(jìn)一步的產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)，因此，在產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)之后還還可以包括下述操作S901、生成靠近原子諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)。具體的，根據(jù)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)，可以通過高頻振蕩器等實(shí)現(xiàn)方式生成靠近原子諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)。S902、根據(jù)原子躍遷頻率的偏差生成用于調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的調(diào)整信息。
具體的，可以根據(jù)原子躍遷幾率計(jì)算激勵(lì)信號(hào)頻率與原子諧振頻率之間的誤差，并根據(jù)誤差值生成調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的調(diào)整信息。S903、根據(jù)調(diào)整信息對(duì)激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。具體的，可以通過反應(yīng)激勵(lì)信號(hào)頻率與原子諧振頻率誤差值的頻率信號(hào)對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，以產(chǎn)生具有良好穩(wěn)定度和精確度的激勵(lì)信號(hào)。本實(shí)施例中，通過具有長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)生成靠近原子諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)，再進(jìn)一步的對(duì)產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)輸出激勵(lì)原子躍遷的精確頻率信號(hào)，提高了原子躍遷的準(zhǔn)確度。最后應(yīng)說明的是以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案， 而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.一種激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，包括頻率源部、微波綜合部和原子激勵(lì)部； 所述頻率源部用于產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定的低頻信號(hào)； 所述微波綜合部用于接收所述頻率源部的低頻信號(hào)，并結(jié)合所述微波綜合部產(chǎn)生的短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)； 所述原子激勵(lì)部用于接收所述激勵(lì)信號(hào)并激勵(lì)原子發(fā)生躍遷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，所述激勵(lì)原子躍遷裝置還包括誤差校準(zhǔn)部，所述誤差校準(zhǔn)部的輸入端與所述原子激勵(lì)部連接，所述誤差校準(zhǔn)部的輸出端與所述微波綜合部連接； 所述誤差校準(zhǔn)部用于根據(jù)原子躍遷幾率計(jì)算所述微波綜合部產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)與原子諧振頻率之間的誤差值，并將所述誤差值反饋給所述微波綜合部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，所述微波綜合部包括短穩(wěn)頻率單元、第一頻率合成單元、第二頻率合成單元、第一混頻器和頻率調(diào)理單元； 所述短穩(wěn)頻率單元的輸入端與所述頻率源部的輸出端連接、所述短穩(wěn)頻率單元的輸出端與所述第一頻率合成單元輸入端連接，所述第一頻率合成單元、第二頻率合成單元的輸出端與所述第一混頻器輸入端連接，所述第一頻率合成單元、第一混頻器的輸出端與所述頻率調(diào)理單元連接； 所述短穩(wěn)頻率單元用于產(chǎn)生短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，所述頻率源部能夠保證所述短穩(wěn)頻率單元產(chǎn)生的低頻信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定； 所述第一頻率合成單元用于產(chǎn)生靠近所激勵(lì)原子的諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)； 所述第二頻率合成單元用于根據(jù)所述誤差校準(zhǔn)部反饋的誤差信號(hào)產(chǎn)生頻率校準(zhǔn)信號(hào); 所述頻率調(diào)理單元用于調(diào)理第一頻率合成單元和第二頻率合成單元的輸出信號(hào)，生成激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，所述短穩(wěn)頻率單元包括依次連接的第二混頻器、放大低通器、低頻振蕩器和第一分配放大器；所述第一分配放大器的輸出端與所述第二混頻器輸入端連接，所述頻率源部的輸出端與所述第二混頻器輸入端連接；所述第一分配放大器的輸出端與所述第一頻率合成單元連接； 所述第二混頻器用于對(duì)所述頻率源部和第一分配放大器輸出的低頻信號(hào)進(jìn)行頻率混合，并檢測(cè)兩個(gè)低頻信號(hào)的頻率值偏差； 所述放大低通器用于將所述第二混頻器輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行功率放大并低通濾波；所述低頻振蕩器用于產(chǎn)生短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，并根據(jù)所述放大低通器輸出的信號(hào)進(jìn)行頻率微調(diào)； 所述第一分配放大器用于將所述低頻振蕩器輸出的信號(hào)反饋給所述第二混頻器，并輸出給所述第一頻率合成單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，所述第一頻率合成單元包括依次連接的倍頻器、第二分配放大器和高頻振蕩器； 所述倍頻器用于接收并放大所述第一分配放大器輸出的低頻信號(hào)； 所述第二分配放大器用于將所述倍頻器輸出的高頻信號(hào)分配給高頻振蕩器和所述頻率調(diào)理單元；所述高頻振蕩器用于產(chǎn)生靠近原子諧振頻率的高頻信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，所述第二頻率合成單元包括頻率合成器； 所述頻率合成器用于接收所述誤差校準(zhǔn)部的誤差信號(hào)并產(chǎn)生反應(yīng)誤差數(shù)值的頻率信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激勵(lì)原子躍遷裝置，其特征在于，所述頻率調(diào)理單元包括兩路功分器、功率衰減器、信號(hào)合成器、移相器、PIN開關(guān)和第三混頻器； 一路功分器與所述功率衰減器和信號(hào)合成器依次連接，另一路功分器與所述移相器和PIN開關(guān)依次連接，所述PIN開關(guān)與所述信號(hào)合成器連接； 所述兩路功分器用于將所述第二分配放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大并分配給所述 功率衰減器和移向器； 所述功率衰減器用于衰減接收的信號(hào)； 所述移相器用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行移相； 所述PIN開關(guān)用于接收TTL電平，控制信號(hào)通道的開啟或關(guān)閉； 所述信號(hào)合成器用于合成所述功率衰減器和PIN開關(guān)輸出的信號(hào)； 所述第三混頻器輸入端與所述第一混頻器和信號(hào)合成器的輸出端連接，所述第三混頻器的輸出端與所述原子激勵(lì)部的輸入端連接。
8.—種激勵(lì)原子躍遷方法，其特征在于，包括 產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)； 根據(jù)所述中間控制信號(hào)產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激勵(lì)原子躍遷的方法，其特征在于， 所述產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定和短期穩(wěn)定的中間控制信號(hào)之后還包括 生成靠近原子諧振頻率的激勵(lì)信號(hào)； 根據(jù)原子躍遷頻率的偏差生成用于調(diào)整所述激勵(lì)信號(hào)的調(diào)整信息； 根據(jù)所述調(diào)整信息對(duì)激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激勵(lì)原子躍遷裝置和方法。裝置包括頻率源部、微波綜合部和原子激勵(lì)部；頻率源部用于產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定的低頻信號(hào)；微波綜合部用于接收頻率源部的低頻信號(hào)，并結(jié)合微波綜合部產(chǎn)生的短期穩(wěn)定的低頻信號(hào)，產(chǎn)生用于激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)；原子激勵(lì)部用于接收激勵(lì)信號(hào)并激勵(lì)原子發(fā)生躍遷。本發(fā)明提供的激勵(lì)原子躍遷裝置和方法，可以提高激勵(lì)原子躍遷的激勵(lì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102957425SQ20121037779
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者劉年豐, 陳偉亮, 李天初, 林平衛(wèi), 房芳, 劉昆, 所睿 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院