[發(fā)明專利]一種原子鐘

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310252462.8
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103454902A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設計）人: 喬東海;季磊
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術領域

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

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。

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）原子鐘。

相干布居囚禁是原子與相干光相互作用所產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。

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。

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。

?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℃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)明內容

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。

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。

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(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。

所述四端口光纖耦合器為2×2單模光纖耦合器。

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。

所述增反膜的厚度等于四分之一激光波長。

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。

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。

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(shù)模轉換芯片，用以控制激光器的波長和頻率。

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；2×2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)將進一步產生控制信號，直至整個原子鐘系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)。