一種原子鐘的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種原子鐘，由電子學系統(tǒng)和物理封裝構成，所述物理封裝包括激光器、轉換光路、1/4波片、堿性原子泡氣室和光電探測器，其特征在于：所述轉換光路包括四端口光纖耦合器、與光纖耦合器相連的四條光纖、自聚焦透鏡和增反膜，所述激光器的輸出端連接第一光纖，第二光纖連接自聚焦透鏡，第三光纖連接光電探測器；所述增反膜位于堿性原子泡氣室的出射側，將出射光反射回堿性原子泡氣室。本發(fā)明可以使得激光器和光電探測器遠離堿性原子泡氣室，減少溫度和磁場對其的影響，提高原子鐘的穩(wěn)定度。
【專利說明】一種原子鐘
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種原子鐘，屬于頻率標準裝置領域。
【背景技術】
[0002]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，其主要得益于當時量子力學和微波波譜學的快速發(fā)展。早期的微波鐘使用的是非相干光源做抽運和探測光，其后隨著激光器的發(fā)展，激光選態(tài)和檢測方法被應用到原子鐘研究中，得到了更好的效果。
[0003]隨著電子技術和控制技術的飛速發(fā)展，對于原子鐘的研究主要集中在兩個方面:一方面是探索研制準確度和穩(wěn)定度更高的原子鐘。近年來，已經(jīng)成功研制出許多不同種類的具備更高準確 度和穩(wěn)定度的新型原子鐘，例如冷原子噴泉鐘、離子阱鐘、光鐘等?’另一方面是積極尋找實現(xiàn)高精度的小型工程原子鐘的途徑，以滿足各種工程技術發(fā)展需要，例如研制小型星載原子鐘、利用相干布居囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁(CPT，Coherent Population Trapping)原子鐘。
[0004]相干布居囚禁是原子與相干光相互作用所產(chǎn)生的一種量子干涉現(xiàn)象，利用激光良好的相干特性，在原子體系中制備相干布居囚禁態(tài)，可以實現(xiàn)的芯片式的新型CPT原子鐘，這是當前原子鐘領域和導航領域的前沿技術。其優(yōu)勢是:一方面，不需要微波腔，可以明顯減小體積；另一方面，采用受微波頻率調(diào)制的激光器制備相干雙色光，可以減少光頻移。盡管CPT原子鐘從1998年提出至今時間并不久，但其發(fā)展迅速，已顯示出優(yōu)越的性能，而且還有較大的改進空間。
[0005]現(xiàn)有技術中，CPT原子鐘包括電子學系統(tǒng)和物理封裝，其中，物理封裝通常由激光器、轉換光路、1/4波片、堿性原子泡氣室和光電探測器構成，激光器發(fā)出的激光由轉換光路轉換成平行光，經(jīng)1/4波片形成圓極偏振光后進入堿性原子泡氣室，最后被光電控測器接收。其中，轉換光路通常為透鏡組。
[0006]評價原子鐘的性能指標主要是艾倫方差。根據(jù)艾倫方差的定義，可知原子鐘的性能主要取決于吸收譜線的對比度。
[0007]在實際中，一般的CPT桌面實驗系統(tǒng)只追求調(diào)測的方面，并沒有考慮體積和功耗的問題，而微型乃至芯片級CPT原子鐘確實很注重體積和功耗的減少，但不方便調(diào)測。到目前為止所實現(xiàn)CPT原子鐘指標都不是很高，主要表現(xiàn)在溫漂現(xiàn)象比較嚴重，溫控導致功率消耗較大，原子鐘輸出信號穩(wěn)定度很低。其主要原因是，現(xiàn)有技術中將上述各部分封裝在一起，由于堿性原子泡氣室通常保持在70-90°C的工作溫度下，激光器和光電探測器與堿性原子泡氣室的距離較近，會受到其溫度的影響，
因此，需要通過結構的改進，減小溫漂現(xiàn)象，從而減小原子鐘的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種原子鐘，通過結構改進，減小溫度對原子鐘的影響。
[0009]為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種原子鐘，由電子學系統(tǒng)和物理封裝構成，所述物理封裝包括激光器、轉換光路、1/4波片、堿性原子泡氣室和光電探測器；所述轉換光路包括四端口光纖耦合器、與光纖耦合器相連的四條光纖、自聚焦透鏡和增反膜，所述激光器的輸出端連接第一光纖，第二光纖連接自聚焦透鏡，第三光纖連接光電探測器；所述增反膜位于堿性原子泡氣室的出射側，將出射光反射回堿性原子泡氣室。
[0010]上述技術方案中，所述激光器為以直接帶隙半導體材料為光增益介質(zhì)，通過pn結注入載流子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以法布里-珀羅腔或分布布拉格光柵為諧振腔，進行受激發(fā)射光放大的二極管激光器。
[0011]所述四端口光纖耦合器為2X2單模光纖耦合器。
[0012]所述自聚焦透鏡是內(nèi)部折射率分布沿徑向逐漸減小的柱狀透鏡。
[0013]所述增反膜的厚度等于四分之一激光波長。
[0014]進一步的技術方案，設有第二光電探測器，所述第二光電探測器連接第四光纖。
[0015]優(yōu)選的技術方案是，所述堿性原子泡氣室與所述激光器、光電探測器設置在不同的獨立封裝中。
[0016]上述技術方案中，所述電子學系統(tǒng)包括鎖相環(huán)路、電調(diào)衰減器、微控制系統(tǒng)和數(shù)模轉換芯片，用以控制激光器的波長和頻率。
[0017]以堿性原子泡氣室采用銫腔為例，本發(fā)明的工作原理解釋如下:激光器發(fā)出激光，并且將鎖相環(huán)路產(chǎn)生的4.596GHz微波信號調(diào)制到激光的左右邊帶上，激光照射在銫腔上；2X2光纖耦合器位于激光器和銫腔之間，與之相連接的有四根光纖。其中第二光纖與自聚焦透鏡連接，在自聚焦透鏡后放置一塊四分之一波片，將激光束轉變成圓偏振光照射入銫腔；銫腔后接增反膜，光路經(jīng)過增反膜反射，再次進入光纖耦合器，并由第三光纖輸出；在輸出端口接光電探測器，光電探測器將光信號轉換為電流信號，被微控制系統(tǒng)提取處理，微控制系統(tǒng)將進一步產(chǎn)生控制信號，直至整個原子鐘系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)。
[0018]進一步的技術方案中，在光纖耦合器的第四光纖端口接上第二光電探測器，用來探測激光器的入射光強。
[0019]上述方案中，激光調(diào)制方式采用半帶寬調(diào)制，即RF調(diào)制頻率等于兩個基態(tài)能級差的一半，左右第一個邊帶頻率之差則剛好等于基態(tài)超精細能級分裂差，用這兩個一階邊帶泵浦激發(fā)而實現(xiàn)CPT諧振。這種調(diào)制方法被定義為半寬調(diào)制。
[0020]由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:
1、本發(fā)明通過設置四端口的光纖耦合器，同時設置增反膜，使激光器和光電探測器分別與光纖耦合器連接，可以使得激光器和光電探測器遠離堿性原子泡氣室，減少溫度和磁場對其的影響。
[0021]2、由于米用光纖和光纖f禹合器構成轉換光路,可以減少光的損耗。
[0022]3、增反膜的設置，一方面使光電探測器可以與激光器一起連接在光纖耦合器上，另一方面通過將出射光再次反射進入堿性原子泡氣室，可以增加光程，使得光跟銫原子或銣原子的作用時間變長，提高原子鐘的穩(wěn)定度。
[0023]4、第二光電探測器的設置，可以探測激光器的入射光強，以便及時觀測激光的光
強變化。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1是實施例中原子鐘整體系統(tǒng)框圖。
[0025]圖2是實施例中鎖相環(huán)路系統(tǒng)框圖。
[0026]圖3是實施例中自聚焦透鏡與光纖組成的激光準直器光路圖。
[0027]圖4是原子鐘物理封裝中銫/銣腔原子能級躍遷圖。
[0028]圖5是實施例中環(huán)路濾波器電路圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
實施例1:
如圖1所示，一種帶自聚焦透鏡的原子鐘，主要包括激光器170，光纖耦合器120及與之相連接的四條光纖121、122、123、124，自聚焦透鏡130，四分之一波片140，銫腔150，增反膜160，光電探測器110和第二光電探測器180，鎖相環(huán)路200，電調(diào)衰減器300，微控制系統(tǒng)500，數(shù)模轉換器400和600部分。其中激光器170，光纖耦合器120及與之相連接的四條光纖121、122、123、124，自聚焦透鏡130，四分之一波片140，銫腔150，增反膜160，光電探測器110和第二光電探測器180構成本發(fā)明所述原子鐘的物理封裝100。
[0030]整個系統(tǒng)的工作原理:微控制系統(tǒng)500首先對鎖相環(huán)路200進行初始化，使得鎖相環(huán)路鎖定到原子超精細能級躍遷的頻率上(此處使用的是半帶寬調(diào)制，鎖相環(huán)路產(chǎn)生的頻率為4.596GHz)，銫原子的超精細能級差為9.2GHz，微控制系統(tǒng)500通過控制進入電調(diào)衰減器300的電流來控制進入物理封裝100的微波功率，使得CPT諧振峰達到最大。判定諧振峰是否達到最大的最直接的方法是提取物理封裝內(nèi)部光電探測器反饋回來的電流信號，經(jīng)過外圍鎖相放大電路后將誤差信號反饋給微控制系統(tǒng)500，此時微控制系統(tǒng)500對鎖相環(huán)路200進行編程調(diào)整，同時對激光器的電流進行調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)CPT諧振峰達到最大，使得整個系統(tǒng)鎖定。
[0031]如圖2所示,本發(fā)明所涉及到的鎖相環(huán)路200,主要包括溫補晶振210、頻率合成器220、三階環(huán)路濾波器230、壓控振蕩器240。主要工作方式如下:溫補晶振210提供基準IOMHz頻率，已初始化的頻率合成器220為小數(shù)分頻倍頻器，根據(jù)壓控振蕩器240反饋信號分頻之后的頻率與基準頻率進行鑒頻鑒相產(chǎn)生誤差電流，再通過電荷泵輸出誤差信號至壓控振蕩器，直至鎖相環(huán)路系統(tǒng)鎖定到所需要的頻率上(4.596GHz)。其中環(huán)路濾波器230尤其重要，它將影響射頻輸出的相位噪聲，所以環(huán)路濾波器230的設計很重要的，具體電路設計如圖5所示。
[0032]如圖3所示，本發(fā)明所涉及到的準直器主要包括光纖300、自聚焦透鏡310。自聚焦透鏡310的功能是得到所需要的平行光束，同時將從增反膜160反射回來的光重新聚合到光纖耦合器120中并從光纖122處輸出到光電探測器110上。
[0033]如圖4所示，在弱磁場的作用下，銫原子能級分裂成超精細能級，對于銫，此能級差為9.2GHz。本發(fā)明涉及的是半波調(diào)制，即外圍射頻環(huán)路產(chǎn)生的頻率等于4.596GHz。經(jīng)過調(diào)制，激光將產(chǎn)生兩個邊帶，這兩個邊帶的頻率差正好為9.2GHz，此時銫原子將被囚禁在超精細能級上，將不再吸收光，此時照射到光電探測器的光強將出現(xiàn)峰值。對于銣元素，只是超精細能級的能級差不一樣，銣的能級差為6.SGHz0
【權利要求】
1.一種原子鐘，由電子學系統(tǒng)和物理封裝構成，所述物理封裝包括激光器、轉換光路、1/4波片、堿性原子泡氣室和光電探測器，其特征在于:所述轉換光路包括四端口光纖耦合器、與光纖耦合器相連的四條光纖、自聚焦透鏡和增反膜，所述激光器的輸出端連接第一光纖，第二光纖連接自聚焦透鏡，第三光纖連接光電探測器；所述增反膜位于堿性原子泡氣室的出射側，將出射光反射回堿性原子泡氣室。
2.根據(jù)權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:所述激光器為以直接帶隙半導體材料為光增益介質(zhì)，通過Pn結注入載流子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以法布里-珀羅腔或分布布拉格光柵為諧振腔，進行受激發(fā)射光放大的二極管激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:所述四端口光纖耦合器為2X2單模光纖率禹合器。
4.根據(jù)權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:所述自聚焦透鏡是內(nèi)部折射率分布沿徑向逐漸減小的柱狀透鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:所述增反膜的厚度等于四分之一激光波長。
6.根據(jù)權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:設有第二光電探測器，所述第二光電探測器連接第四光纖。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的原子鐘，其特征在于:所述堿性原子泡氣室與所述激光器、光電探測器設置在不同的獨立封裝中。
【文檔編號】G04F5/14GK103454902SQ201310252462
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權日:2013年6月24日
【發(fā)明者】喬東海, 季磊 申請人:蘇州大學