[發明專利]一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘

無效

• 申請號: 200910078110.9
• 申請日: 2009-02-17
• 公開（公告）號: CN101488753A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 汪中;郭濤;鄧科;陳徐宗
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26;H01S5/042;H01S5/06;G02F1/35
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 賈曉玲

技術領域

本發明是關于原子鐘的設計方法，具體涉及一種原子鐘基準頻率的獲取方法及原子鐘。

背景技術

傳統原子鐘的原理是，探測原子能級的參考譜線，并將原子鐘輸出的頻率與參考譜線鎖定，從而得到穩定的原子鐘頻率。具體講，是以原子某個能級的躍遷吸收或發射的頻率譜線為基準(由于它具有相對較高的穩定性)，用鎖相電路或類似技術將一個微波信號或光頻信號與這一躍遷頻率的中心鎖定，從而獲得一個與原子躍遷頻率接近一致的頻率輸出，作為原子鐘的基準頻率，而后在經過頻率變換使其輸出一個相對穩定的特定頻率信號。因此，傳統原子鐘的的重要部分就是輸出頻率與參考譜線的鎖定，鎖定電路要求很高，而且容易產生不穩因素。

發明內容

本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種原子鐘基準頻率的獲取方法，利用該方法無需對原子鐘的調制頻率進行鎖定，使得原子鐘的結構簡化，提高了外部環境的適應性。

本發明的技術方案是：

一種原子鐘基準頻率的獲取方法，其步驟包括：

1)用驅動電流源驅動半導體激光器，該半導體激光器同時受微波信號調制，產生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光；

2)上述兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統的原子作用，所述微波信號的頻率與原子Λ三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數囚禁(CPT)譜線半寬度，產生一個與CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號；

3)將上述馳豫振蕩信號的頻率與上述調制半導體激光器的微波信號的頻率相加，得到原子鐘的標準頻率。

驅動電流源產生一個方波信號，對驅動電流進行調制，驅動電流在工作點和閾值以下周期性變換，使泵浦激光按一定周期激發CPT失諧瞬態振蕩。該方波信號的頻率小于CPT失諧瞬態振蕩頻率。

一種原子鐘，包括：

一微波信號源，用于產生微波信號；

一驅動電流源，用于產生半導體激光器的驅動電流；

一偏置樹Bias-T，用于驅動電流信號和微波信號疊加；

一半導體激光器，上述疊加后信號作為該激光器的驅動和調制信號，產生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光；

一原子氣室，具有Λ三能級系統的原子蒸汽置于該氣室內，上述兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統的原子作用，產生一個與CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號，

一光電轉換器，用于對上述馳豫振蕩信號進行光電轉換；轉換后的信號一路反饋到驅動電流源，用于鎖定半導體激光器的工作波長，另一路信號經過一信號讀取轉換器，轉換成頻率相同的正弦波信號；

一混頻器，用于上述正弦波信號和調制半導體激光器的微波信號相加，獲得原子鐘標準頻率信號。

所述半導體激光器產生的泵浦激光信號經過一衰減片，該衰減片用于調整激光信號的功率達到原子鐘工作所需要的強度，所述衰減片可由偏振片組或光學衰減片構成。

所述半導體激光器產生的泵浦激光信號經過一λ/4波片，該λ/4波片用于將激光信號輸出的線偏振光轉換為激發CPT所需要的圓偏振光。

所述微波信號源的微波信號通過一延時系統進入混頻器，該延時系統使經過半導體激光器、光電轉換器和信號讀取轉換器到達混頻器的信號和直接從微波源到達混頻器的信號有相同的時延。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明利用相干布居數囚禁(CPT)失諧瞬態振蕩現象，即當微波信號的頻率與原子Λ三能級系統的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數囚禁CPT譜線半寬度時，可產生一個與相干布居數囚禁CPT失諧瞬態振蕩相同頻率的馳豫振蕩信號，該CPT失諧瞬態振蕩的頻率等于兩泵浦激光頻率差與原子基態兩個超精細結構頻率間隔的差值。本發明將探測到的馳豫振蕩信號頻率與調制激光的微波頻率相加直接得到超精細結構的頻率差，從而獲得原子鐘的基準頻率。本發明將不需要對調制頻率進行鎖定，因為一旦微波頻率漂移，它與原子基態兩個超精細結構頻率間隔的差值會改變，與這一差值相等的馳豫振蕩的頻率也會有相應的改變。將調制信號與探測到的馳豫振蕩頻率相加時，頻率的漂移會被探測到的CPT失諧瞬態振蕩頻率的改變所補償，從而省去了傳統原子鐘的鎖定電路部分。這就使得原子鐘的結構簡化，提高了對外部環境的適應性。并且非常有利于原子鐘的?小型化和數字化。

附圖說明

圖1為⁸⁵Rb的三能級系統示意圖；

圖2為本發明原子鐘的結構示意圖。

具體實施方式