CN109951187B - 具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟 - Google Patents
具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其构成包括混频光***、探测光***、物理***、微波频率综合器、受控晶振及原子钟控制***，通过在光探测阶段引入一个辅助的非弹性混频光，打破传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程中存在的对探测光传播增长的限制，从而可以使非线性磁光旋转信号提高两个数量级，进而提高原子钟鉴频信号的信噪比和原子钟的频率稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及被动型光抽运气泡式铷原子钟，特别是一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟。
背景技术
气泡式脉冲光抽运铷原子钟其具有结构简单、运行可靠、体积小重量轻、频率稳定度高等优点，因此是下一代北斗卫星导航***高性能星载钟的重要候选者之一。
对于脉冲运行原子钟，表征其频率稳定度的Allan方差可以表示为：
其中τ为取样时间，TC为原子钟的工作周期，Q＝v0/Δv为跃迁谱线的品质因子，Δv为拉姆齐条纹的半高全宽，v0为钟跃迁频率，S/N为拉姆齐条纹的信噪比。拉姆齐条纹的信噪比越高，气泡式脉冲光抽运铷原子钟的稳定度也越高。林锦达等(中国专利：CN102799103A，具有高对比度鉴频信号的铷原子钟)和林海笑等(中国专利：CN106773612A，提高原子钟频率稳定度的***及方法)中采用传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程，但其存在一个由于能量对称性导致的对探测光传播增长的限制，它显著破坏了非线性磁光旋转效应，从而限制了原子钟的信噪比。
本发明提出一种具有高信噪比鉴频信号的原子钟***，引入一个辅助的非弹性混频波来打破传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程中对探测光传播增长的限制，从而可以使非线性磁光旋转信号增强两个数量级，进一步提高原子钟鉴频信号的信噪比(参考文献：Feng Zhou，Chengjie J.Zhu，Edward W.Hagley，Lu Deng，Symmetry-breakinginelastic wave-mixing atomic magnetometry[J].Sci Adv，2017，3(12)，e1700422.)。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，该铷原子钟通过引入一个辅助的非弹性混频波而可以使非线性磁光旋转信号增强两个数量级，原子钟跃迁谱线信噪比提高10倍，相应的频率稳定度由现有的1.4×10-13τ-1/2(0<τ<100s)提高50％进入10-14量级。
本发明的技术解决方案如下：
一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其构成包括混频光***、探测光***、物理***、微波频率综合器、受控晶振和原子钟控制***，上述部件的连接关系如下：
所述的混频光***的输出光入射至所述的物理***，所述的探测光***的输出光入射至所述的物理***，两束光与所述的物理***中的原子发生相互作用后入射至所述的原子钟控制***，所述的受控晶振的第一输出端提供了标准频率输出，所述的受控晶振的第二输出端输出原子钟频率信号至所述的微波频率综合器作为参考信号，经微波频率综合器输出的微波脉冲进入所述的物理***与其中的原子发生相互作用；
所述的混频光***的控制端与所述的原子钟控制***的第一输出端相连，所述的探测光***的控制端与所述的原子钟控制***的第二输出端相连，所述的微波频率综合器的控制端与所述的原子钟控制***的第三输出端相连，所述的受控晶振的输入端与所述的原子钟控制***的第四输出端相连；
所述的混频光***的构成包括半导体激光器、隔离器、半波片、偏振分束器、声光调制器(asousto-optic modulator，简称AOM)、透镜、四分之一波片、光阑、反射镜、扩束镜、第三格兰泰勒棱镜、半波片及反射镜，声光调制器作为光开关，它的负一级衍射光脉冲作为光探测阶段的混频光，第三格兰泰勒棱镜和半波片的组合用于调整混频光偏振面与探测光偏振面之间的夹角；
所述的探测光***的构成包括半导体激光器、隔离器、半波片、偏振分束器、声光调制器、透镜、四分之一波片、光阑、反射镜及扩束镜，声光调制器作为光开关，它的负一级衍射光脉冲用于光抽运和光探测；
所述的物理***的构成包括第一格兰泰勒棱镜、微波腔吸收泡组件、分束比为50:50的分束器及第二格兰泰勒棱镜，第一格兰泰勒棱镜与第二格兰泰勒棱镜正交；
所述的原子钟控制***包括光电探测器和原子钟控制***。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
可以使非线性磁光旋转信号增强两个数量级；
原子钟跃迁谱线信噪比提高10倍，相应的频率稳定度由现有的1.4×10-13τ-1/2(0<τ<100s)提高50％进入10-14量级。
附图说明
图1是气泡式脉冲光抽运原子钟的结构示意图
图2是气泡式脉冲光抽运原子钟工作的能级图
图3是气泡式脉冲光抽运原子钟控制***产生的时序图
图4是气泡式脉冲光抽运原子钟的实施例图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明气泡式脉冲光抽运原子钟的结构示意图。混频光***1的输出光入射至物理***3，探测光***2的输出光入射至物理***3，两束光与物理***3中的铷原子发生相互作用后入射至原子钟控制***6，微波频率综合器4输出的微波脉冲进入物理***3与铷原子发生相互作用，光脉冲与微波脉冲在时间上与原子分开作用，从而消除了光频移。原子钟控制***6探测物理***3的前向散射光并产生一个控制电压调整受控晶振5输出信号的频率，原子钟控制***6产生光功率控制时序控制混频光***1和探测光***2的输出光脉冲的时间和功率，原子钟控制***6产生微波功率控制时序控制微波频率综合器4的输出微波脉冲的时间和功率。受控晶振5有两路输出，一路作为原子钟频率信号输出，另一路作为微波频率综合器4的参考信号。
参阅图2，图2是气泡式脉冲光抽运原子钟工作的能级图。激光76作为抽运光将能级71|52S1/2,F＝2>上的原子抽运到能级73|52P1/2,F’＝2>上，然后通过自发辐射跃迁到72和71，最终能级71上的大部分原子都被抽运到72能级，能级71上的原子被抽空以后，原子气体就不再吸收激光76了，然后再加上微波75是原子在能级71|52S1/2,F＝2>和能级72|52S1/2,F＝1>之间发生磁偶极跃迁，跃迁过程使得一部分原子被抽运到能级71上，这时再加上激光76作为探测光，由于能级71上的原子布居数发生改变，产生非线性磁光旋转效应，使得探测光偏振面发生旋转产生前向散射光。在加入探测激光76的同时引入一个辅助的非弹性混频光77使得通过原子气体的非线性磁光旋转信号增强，能级74在能级73附近。
参阅图3，图3是原子钟控制***6产生的时序图，包括抽运与探测光功率控制信号、混频光功率控制信号、微波功率控制信号和微波频率调制信号。在微波频率调制信号06阶段，光脉冲01制备量子态，接着两个时间间隔为T的相干微波脉冲02和04探询原子，03是自由演化阶段，最后同时加入混频光脉冲052和探测光脉冲051来检测基态两能级原子跃迁几率。同样地，在微波频率调制信号07阶段，光脉冲08制备量子态，接着两个时间间隔为T的相干微波脉冲09和011探询原子，010是自由演化阶段，最后同时加入混频光脉冲0122和探测光脉冲0121来检测基态两能级原子跃迁几率。
参阅图4，图4是本发明气泡式脉冲光抽运原子钟的实施例图。半导体激光器11产生混频光先经过隔离器12，防止光再进入激光器，经过半波片13射入偏振分束器14，经该偏振分束器14反射的光束进入声光调制器15，该声光调制器15作为光开光，使用其负一级衍射脉冲作为光探测阶段的混频光，再依次经过透镜16、四分之一波片17、光阑18、反射镜19，经该反射镜19反射后依次经光阑18、四分之一波片17、透镜16、声光调制器15原路返回，并射入偏振分束器14，经偏振分束器14透射的光束进入扩束镜110，光束直径变大，然后再经过第三格兰泰勒棱镜111、半波片112变为线偏振光，出射的线偏振光经反射镜113进入物理***3与原子发生相互作用来增强非线性磁光旋转信号，第三格兰泰勒棱镜111和半波片112的组合用于调整混频光偏振面与探测光偏振面之间的夹角，混频光与探测光偏振面间的夹角不同，所得非线性磁光旋转信号强度不同，当探测光与混频光偏振面间的夹角为45°时，所得非线性磁光旋转信号强度最大。同样地，半导体激光器21产生光经过隔离器22、半波片23射入偏振分束器24，经该偏振分束器24反射的光束进入声光调制器25，该声光调制器25作为光开光，使用其负一级衍射脉冲用于光抽运和光探测，再依次经过透镜26、四分之一波片27、光阑28、反射镜29，经该反射镜29反射后依次经光阑28、四分之一波片27、透镜26、声光调制器25原路返回，并射入偏振分束器24，经偏振分束器24透射的光束进入扩束镜210，光束直径变大，最后光束进入物理***3。探测光***2的输出光通过第一格兰泰勒棱镜31变成第一线偏振光，该第一线偏振光与微波腔吸收泡组件32内的原子相互作用后偏振面发生旋转产生非线性磁光旋转信号，与此同时，所述的混频光***1的输出光经分束比为50:50的分束器33反射后进入微波腔吸收泡组件32与原子发生相互作用来增强非线性磁光旋转信号，非线性磁光旋转信号经分束器33透射后射入第二格兰泰勒棱镜34变成第二线偏振光，所述的第一格兰泰勒棱镜31和第二格兰泰勒棱镜34正交。第二线偏振光最终到达光电探测器61，将光信号转化为电信号，通过原子钟控制电路62输出一个控制电压调整受控晶振5的输出频率，受控晶振5的一路作为原子钟频率信号输出，另一路作为微波频率综合器4的参考信号，微波频率综合器4输出微波脉冲，进入微波腔吸收泡组件32与原子相互作用。
本发明提出针对现有的气泡式脉冲光抽运原子钟中采用的传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程中存在的对探测光传播增长的限制，引入一个辅助的非弹性混频波来打破此限制，从而可以使非线性磁光旋转信号增强两个数量级，原子钟跃迁谱线信噪比提高10倍，相应的频率稳定度由现有的1.4×10-13τ-1/2(0<τ<100s)提高50％进入10-14量级。
Claims (4)
1.一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其特征在于，包括混频光***(1)、探测光***(2)、物理***(3)、微波频率综合器(4)、受控晶振(5)和原子钟控制***(6)；
所述的混频光***(1)的输出光入射至所述的物理***(3)，所述的探测光***(2)的输出光入射至所述的物理***(3)，两束光与所述的物理***(3)中的原子发生相互作用后入射至所述的原子钟控制***(6)，所述的受控晶振(5)的第一输出端提供了标准频率输出，所述的受控晶振(5)的第二输出端输出原子钟频率信号至所述的微波频率综合器(4)作为参考信号，经微波频率综合器(4)输出的微波脉冲进入所述的物理***(3)与其中的原子发生相互作用；
所述的混频光***(1)的控制端与所述的原子钟控制***(6)的第一输出端相连，所述的探测光***(2)的控制端与所述的原子钟控制***(6)的第二输出端相连，所述的微波频率综合器(4)的控制端与所述的原子钟控制***(6)的第三输出端相连，所述的受控晶振(5)的输入端与所述的原子钟控制***(6)的第四输出端相连；
所述的混频光***(1)包括半导体激光器(11)、隔离器(12)、半波片(13)、偏振分束器(14)、声光调制器(15)、透镜(16)、四分之一波片(17)、光阑(18)、反射镜(19)、扩束镜(110)、第三格兰泰勒棱镜(111)、半波片(112)及反射镜(113)；
所述的半导体激光器(11)产生混频光依次经过隔离器(12)和半波片(13)射入偏振分束器(14)，经该偏振分束器(14)反射的光束进入声光调制器(15)，该声光调制器(15)作为光开光，使用其负一级衍射脉冲作为光探测阶段的混频光，再依次经过透镜(16)、四分之一波片(17)、光阑(18)和反射镜(19)，经该反射镜(19)反射后依次经光阑(18)、四分之一波片(17)、透镜(16)和声光调制器(15)返回，并射入偏振分束器(14)，经偏振分束器(14)透射的光束进入扩束镜(110)，光束直径变大，然后再经过第三格兰泰勒棱镜(111)、半波片(112)变为线偏振光，出射的线偏振光经反射镜(113)进入物理***(3)与原子发生相互作用来增强非线性磁光旋转信号；
所述的第三格兰泰勒棱镜(111)和半波片(112)的组合用于调整混频光偏振面与探测光偏振面之间的夹角，混频光与探测光偏振面间的夹角不同，所得非线性磁光旋转信号强度不同，当探测光与混频光偏振面间的夹角为45°时，所得非线性磁光旋转信号强度最大。
2.根据权利要求1所述的具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其特征在于，所述的探测光***(2)包括半导体激光器(21)、隔离器(22)、半波片(23)、偏振分束器(24)、声光调制器(25)、透镜(26)、四分之一波片(27)、光阑(28)、反射镜(29)和扩束镜(210)；
所述的半导体激光器(21)产生光依次经过隔离器(22)和半波片(23)射入偏振分束器(24)，经该偏振分束器(24)反射的光束进入声光调制器(25)，该声光调制器(25)作为光开光，使用其负一级衍射脉冲用于光抽运和光探测，再依次经过透镜(26)、四分之一波片(27)、光阑(28)和反射镜(29)，经该反射镜(29)反射后依次经光阑(28)、四分之一波片(27)、透镜(26)和声光调制器(25)原路返回，并射入偏振分束器(24)，经偏振分束器(24)透射的光束进入扩束镜(210)，光束直径变大，最后光束进入物理***(3)与原子发生相互作用。
3.根据权利要求1所述的具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其特征在于，所述的物理***(3)包括第一格兰泰勒棱镜(31)、微波腔吸收泡组件(32)、分束器(33)、第二格兰泰勒棱镜(34)，所述的第一格兰泰勒棱镜(31)和第二格兰泰勒棱镜(34)正交；
经所述的探测光***(2)的输出光通过第一格兰泰勒棱镜(31)形成第一线偏振光，该第一线偏振光与微波腔吸收泡组件(32)内的原子相互作用后偏振面发生旋转产生非线性磁光旋转信号，与此同时，所述的混频光***(1)的输出光经分束比为50:50的分束器(33)反射后进入微波腔吸收泡组件(32)与原子发生相互作用来增强非线性磁光旋转信号，非线性磁光旋转信号经分束器(33)透射后射入第二格兰泰勒棱镜(34)形成第二线偏振光。
4.根据权利要求3所述的具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其特征在于，所述的原子钟控制***(6)包括光电探测器(61)和原子钟控制电路(62)；
经所述的第二格兰泰勒棱镜(34)输出的第二线偏振光射入光电探测器(61)，该光电探测器(61)将光信号转化为电信号，该电信号通过原子钟控制电路(62)输出一个控制电压来调整受控晶振(5)的输出频率，原子钟控制电路(62)产生光功率控制时序控制混频光***(1)和探测光***(2)的输出光脉冲的时间和功率，原子钟控制电路(62)产生微波功率控制时序控制微波频率综合器(4)的输出微波脉冲的时间和功率。
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