一種原子鐘的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種原子鐘，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。本實用新型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】ー種原子鐘
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及ー種原子鐘，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)原ナ鐘。
[0004]相干布居囚禁是原子與相干光相互作用所產生的ー種量子干涉現(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木。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，
[0008]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)明內容】
[0009]本實用新型的發(fā)明目的是提供ー種原子鐘，通過結構改進，減小溫度對原子鐘的影響。[0010]為達到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術方案是:ー種原子鐘，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ロ光纖耦合器、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。
[0011]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，通過pn結注入載流子實現(xiàn)粒子數反轉，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)射光的放大的ニ極管激光器。
[0012]所述四端ロ光纖耦合器為2X2單模光纖耦合器。
[0013]所述自聚焦透鏡是內部折射率分布沿徑向逐漸減小的柱狀透鏡。
[0014]所述增反膜的厚度等于四分之ー激光波長。
[0015]進ー步的技術方案，設有第二光電探測器，所述第二光電探測器連接第四光纖。
[0016]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。
[0017]上述技術方案中，所述電子學系統(tǒng)包括鎖相環(huán)路、電調衰減器、微控制系統(tǒng)和數模轉換芯片，用以控制激光器的波長和頻率。
[0018]以堿性原子泡氣室采用銫腔為例，本實用新型的工作原理解釋如下:激光器發(fā)出激光，并且將鎖相環(huán)路產生的4.596GHz微波信號調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；在輸出端ロ接光電探測器，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)將進一歩產生控制信號，直至整個原子鐘系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)。
[0019]進ー步的技術方案中，在光纖耦合器的第四光纖端ロ接上第二光電探測器，用來探測激光器的入射光強。
[0020]上述方案中，激光調制方式采用半帶寬調制，即RF調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。這種調制方法被定義為半寬調制。
[0021]由于上述技術方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:
[0022]1、本實用新型通過設置四端ロ的光纖耦合器，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。
[0023]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。
[0024]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，另ー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。
[0025]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
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【附圖說明】
[0026]圖1是實施例中原子鐘整體系統(tǒng)框圖。
[0027]圖2是實施例中鎖相環(huán)路系統(tǒng)框圖。
[0028]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。
[0029]圖4是原子鐘物理封裝中銫/銣腔原子能級躍遷圖，其中(a)銣能級圖，(b)銫能級圖。
[0030]圖5是實施例中環(huán)路濾波器電路圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖及實施例對本實用新型作進ー步描述:
[0032]實施例1:
[0033]如圖1所示，ー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，電調衰減器300，微控制系統(tǒng)500，數模轉換器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構成本實用新型所述原子鐘的物理封裝100。
[0034]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制，鎖相環(huán)路產生的頻率為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部光電探測器反饋回來的電流信號，經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進行編程調整，同時對激光器的電流進行調節(jié)，直到系統(tǒng)CPT諧振峰達到最大，使得整個系統(tǒng)鎖定。
[0035]如圖2所示，本實用新型所涉及到的鎖相環(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為小數分頻倍頻器，根據壓控振蕩器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。
[0036]如圖3所示，本實用新型所涉及到的準直器主要包括光纖123、自聚焦透鏡130。自聚焦透鏡130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。
[0037]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。本實用新型涉及的是半波調制，即外圍射頻環(huán)路產生的頻率等于4.596GHz。經過調制，激光將產生兩個邊帶，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6.8GHz0
【權利要求】
1.ー種原子鐘，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ロ光纖耦合器、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，通過Pn結注入載流子實現(xiàn)粒子數反轉，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)射光的放大的ニ極管激光器。
3.根據權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:所述四端ロ光纖耦合器為2X2單模光纖率禹合器。
4.根據權利要求1所述的原子鐘，其特征在于:所述自聚焦透鏡是內部折射率分布沿徑向逐漸減小的柱狀透鏡。
5.根據權利要求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ー激光波長。
6.根據權利要求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】G04F5/14GK203455615SQ201320363589
【公開日】2014年2月26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