[發明專利]基于PXI系統的被動型CPT原子鐘實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201410082754.6
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103823356A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 田原;楊晶;張奕;譚伯仲;吳紅衛;顧思洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14;H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

技術領域

本發明涉及原子鐘領域，具體涉及基于PXI系統的被動型CPT原子鐘實驗裝置，還涉及基于PXI系統的被動型CPT原子鐘實驗方法，適用于對被動型CPT原子鐘的工作參數和不同物理方案進行實驗研究。

背景技術

被動型相干布居囚禁（CPT）原子鐘的物理機理為，堿金屬原子基態的兩個超精細能級與一個激發態能級形成三能級結構，兩束相干雙色光與其相互作用，當兩激光頻率的差值精確等于原子基態兩超精細能級差對應的頻率時，量子躍遷之間的互相干涉使得原子處于兩基態的相干疊加態上，稱為CPT態。處于CPT態的原子不再吸收光子，此時，探測透射光，可看到透射光強的增加，這就是EIT現象。被動型CPT原子鐘正是利用這一現象實現對微波的鑒頻以達到穩定頻率的目的。其中相干雙色光通過微波調制VCSEL電流產生。被動型CPT原子鐘由于采用VCSEL作為光源，利用微波調制VCSEL電流實現多色光與堿金屬原子相互作用，不需要微波腔就能獲得微波鑒頻信號，因此在功耗和體積上相對傳統原子鐘有潛在優勢，在精密測量、衛星導航與定位、高速通信網和深海探測等領域有廣泛應用前景。

用作產品的被動型CPT原子鐘主要由物理系統和伺服電路系統組成。物理系統的主要功能是通過CPT共振信號對輸入物理系統的微波進行鑒頻，并輸出反映微波頻率偏移量的信號，為此需要將微波的載波，即激光頻率，鎖定在原子兩超精細能級躍遷譜線上。伺服電路系統的主要功能是實現激光頻率和微波頻率的掃描，并將激光頻率鎖定在原子單光子躍遷譜線上，將微波頻率鎖定在原子基態兩超精細能級的頻率差。此外，伺服電路系統需要對物理系統中VCSEL和原子蒸汽泡進行溫度控制并調節原子所處的磁場環境。

被動型CPT原子鐘頻率穩定度很大程度上取決于物理系統的性能，深入研究物理系統的特性對改善原子鐘的頻率穩定度至關重要。利用自行研制的伺服電路系統對物理系統進行研究時，存在輸入VCSEL電流的信噪比和分辨率不夠高，調制電流的微波的相位噪聲和雜散不夠好，模數轉換器的采樣率和分辨率不能同時兼顧，微控制器信號處理能力有限等問題。使用常規的電子學儀器進行研究時，例如通過鎖相放大器進行信號解調，通過溫控儀進行溫度控制，由于各個儀器獨立工作，沒有控制中心，因此，對電流源和微波源等儀器需要手動控制，實驗中各個工作環節都需人工干預，導致測試精度不高且不方便操作。此外，研究物理系統特性時，需要知道原子蒸汽泡所處環境溫度、微波頻率調制信號的調制深度和微波反饋頻率對EIT信號對比度和頻移的影響，以及最合適的解調信號相位和反饋PID參數，現行的實驗方法對參數的尋優需要人為調節，且不能對中間數據進行實時監測、存儲和分析，自動化程度低。

在對被動型CPT原子鐘的不同物理方案進行實驗研究時，例如要進行Ramsey-CPT原子鐘的研究，對數據采集的采樣率、分辨率，數字信號處理的速度，時序的同步有很高的要求，自行研制的伺服電路系統和常規的電子學儀器很難滿足要求，而且擴展性和可移植性差，無法對相同條件下的不同物理方案進行比較研究。

發明內容

本發明的目的在于提供了基于PXI系統的被動型CPT原子鐘實驗裝置。該裝置以PXI系統為核心，結合了自行研制的電路和電子學儀器的優點，擁有更強的數字信號處理能力，采用模塊化的方式構建，通過各種總線接口對電子學儀器進行控制，具有很好的擴展性和可移植性，適合作為被動型CPT原子鐘的研究平臺。

本發明的另一目的在于提供了基于PXI系統的被動型CPT原子鐘實驗方法。

該方法能夠對被動型CPT原子鐘中間數據進行實時監測、存儲和分析，用于研究物理系統特性時，能夠實現工作參數的自動尋優，用于研究不同物理方案的被動型CPT原子鐘時，能夠兼顧采樣率和分辨率采集模擬信號并對信號進行高速處理。

為了實現上述目的，本發明采取以下技術措施：

基于PXI系統的被動型CPT原子鐘實驗裝置，該裝置包括：PXI系統、微波源、功率分配器、晶振、電流源、轉接電路、耦合電路、電流轉電壓電路、被動型CPT原子鐘的物理系統和頻率測試儀。所述PXI系統包括模塊化的嵌入式控制器、數據采集卡和機箱，數據采集卡實現信號的輸入和輸出。其中PXI系統主要實現虛擬通道的創建、PID算法、數字濾波、數字解調、VCSEL輸入電壓的掃描、VCSEL輸入電壓的鎖定與反饋、晶振輸入電壓的掃描、晶振輸入電壓的鎖定與反饋、微波源的控制、幅度調制（AM）、頻移鍵控調制（2FSK）和參數的自整定。

所述數據采集卡主要實現模數轉換、數模轉換和脈沖信號的輸出。