專利名稱：基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熒光探測系統(tǒng)，更具體涉及光頻標離子鐘躍遷探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
原子頻標標準(簡稱原子頻標或原子鐘)是利用量子力學原理制成的高穩(wěn)定度和高準確度時間、頻率信號產(chǎn)生系統(tǒng)。由于原子光頻標所采用的參考躍遷處于光頻段，比傳統(tǒng)的微波頻標所選的參考躍遷頻率高出4-5個量級，如果其對應(yīng)的光學波段參考譜線的線寬 Λ V與工作在微波波段的頻標相同，那么用于穩(wěn)頻譜線的Q( = vr/Δν)值則為微波頻標的幾萬倍，即從理論上預(yù)言光頻標的穩(wěn)定度和準確度比微波頻標高出4-5個量級。原子光頻標的建立，可用于檢驗物理學基本理論和定律、精確測量物理常數(shù)及可能的變化，并將進一步改進國際單位制體系，得到更準確的全球定位系統(tǒng)和更廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。在離子光頻標中，人們利用離子發(fā)出的熒光數(shù)判斷離子所處的原子態(tài)。為了消除離子鐘躍遷譜線的Doppler頻移，通常采用激光冷卻的方法將離子的運動速度降低。激光冷卻采用的是離子基態(tài)I和激發(fā)態(tài)II之間的躍遷。離子被激光A泵浦到上能級之后會自發(fā)輻射回到基態(tài)，同時發(fā)出熒光。激發(fā)態(tài)II壽命短，每秒鐘可以發(fā)出106-108個光子。而鐘躍遷選取從基態(tài)I到亞穩(wěn)態(tài)III的躍遷。由于亞穩(wěn)態(tài)III的壽命長，通常為Is左右，因此，離子被泵浦到該態(tài)之后，每秒鐘發(fā)出的熒光數(shù)幾乎為O。在光頻標鐘躍遷譜線的探測中， 采用脈沖時序的方法進行探詢。首先采用一束線寬很窄的鐘躍遷探測光B對鐘躍遷譜線進行探詢。之后探測離子發(fā)出的熒光，此時探測光B關(guān)掉，冷卻光A打開。若離子被泵浦到亞穩(wěn)態(tài)III，則光電倍增管探測到的熒光數(shù)幾乎為0，稱離子處于“暗態(tài)”，也稱離子發(fā)生了“量子跳躍”。反之，離子會在冷卻光A的泵浦下在基態(tài)I和激發(fā)態(tài)II之間循環(huán)，離子熒光數(shù)高，稱離子處于“亮態(tài)”，也即沒有發(fā)生“量子跳躍”。之后再將探測光B打開，這樣周而復(fù)始地探測離子是否發(fā)生了 “量子跳躍”。固定探測光B在每個頻率的脈沖個數(shù)，可以得到該頻率下的“量子跳躍”個數(shù)。之后掃描探測光B的頻率，可以得到根據(jù)不同頻率下的“量子跳躍”個數(shù)得到鐘躍遷譜線的躍遷幾率，從而可以得到離子躍遷的吸收譜線，之后利用飛秒光梳測量探測光B在“量子跳躍”最多時的頻率，即可得離子的鐘躍遷中心頻率。傳統(tǒng)方法中， 對于離子熒光的探測，采用光子計數(shù)器對電脈沖的個數(shù)進行計數(shù)(也即光子計數(shù))，同時利用甄別器設(shè)置光子計數(shù)器的閾值。光子計數(shù)器能給出光子數(shù)的具體值。上述采用光子計數(shù)器實現(xiàn)對離子熒光的探測，由于光子計數(shù)器價格昂貴，因此成本聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低，方法簡單的基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，以解決上述問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，是利用光電倍增管將探測到的離子阱系統(tǒng)中產(chǎn)生的離子熒光光信號變成電脈沖之后，再將電脈沖信號進行放大后，輸入到微處理器，微處理器對接收到的電脈沖信號進行存儲，在單位時間內(nèi)對電脈沖信號進行積累，形成累加的電壓信號，當所述電壓信號高于設(shè)定值時，離子熒光計數(shù)高，微處理器計數(shù)溢出，此時為“亮態(tài)”;當所述電壓信號低于設(shè)定值時離子，熒光計數(shù)低，微處理器計數(shù)沒有溢出，此時為“暗態(tài)”。在微處理器在進行累加的電壓信號計數(shù)前，利用幅度甄別器將微處理器接收到的脈沖進行分開，實現(xiàn)電子脈沖和噪聲脈沖的分離。所述微處理器將輸出信號給計算機，通過計算機實施鐘躍遷探測激光和離子冷卻激光的控制。所述微處理器是單片機。本發(fā)明基于只需知道熒光計數(shù)的高低，并不關(guān)心熒光計數(shù)的具體值，采用簡單的微處理器就能實現(xiàn)對光頻標離子鐘躍遷探詢，其成本低，方法簡單易行?？捎糜诠忸l標、量子光學和量子信息等領(lǐng)域。


圖I尚子光頻標突光探測系統(tǒng)不意圖。圖2光頻標所選原子能級圖。圖3本發(fā)明方法程序流程圖。圖4激光脈沖時序示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，系統(tǒng)中離子阱系統(tǒng)100用于產(chǎn)生熒光離子，光電倍增管200用于將熒光離子的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，前置放大器300用于對電脈沖信號進行放大,微處理器400實現(xiàn)對電脈沖信號在單位時間的累計，比較判斷，甄別器500用于將前置放大器300 的輸出信號進行分離，即實現(xiàn)電脈沖和噪聲脈沖的分離；保證輸入到微處理器400的信號只有電脈沖信號，實現(xiàn)累計及比較判斷的精度，計算機600實施鐘躍遷探測激光器700和離子冷卻激光器800的控制。離子阱系統(tǒng)為利用具有旋轉(zhuǎn)對稱性雙曲面的兩個帽電極和一個環(huán)電極組成。在環(huán)和帽之間加上射頻電壓，通過產(chǎn)生的電四極勢囚禁帶電離子。離子光頻標選取的原子體系通常如圖2所示。在離子光頻標中，為了消除離子鐘躍遷譜線的Doppler頻移，通常采用激光冷卻的方法將離子的運動速度降低。激光冷卻采用的是離子基態(tài)I到激發(fā)態(tài)II的躍遷。離子被激光A泵浦到能級II之后會自發(fā)輻射回到基態(tài)，同時發(fā)出熒光。激發(fā)態(tài)II壽命短，每秒鐘可以發(fā)出106-108個光子。離子發(fā)出的熒光經(jīng)過光電倍增管接收之后變?yōu)殡娒}沖信號， 該信號經(jīng)過前置放大器之后輸入到微處理器。由于電子脈沖和噪聲脈沖在幅度大小和分布上都不相同，利用幅度甄別器將微處理器接收到的脈沖分開，實現(xiàn)信號和噪聲的分離。微處理器對接收到的脈沖進行存儲，在單位時間內(nèi)對電子脈沖進行積累，形成累加的電壓信號。 考慮到這與單片機的定時計數(shù)器原理類似，故此選用單片機作為微處理器控制核心部分， 對電脈沖進行計數(shù)定時，設(shè)定相關(guān)閾值，此處對電壓的積累實質(zhì)轉(zhuǎn)化成單片機中定時計數(shù)問題，當電壓信號高于設(shè)的閾值(設(shè)定值為2. 5V)時認為熒光計數(shù)高，單片機計數(shù)溢出，此時記為“亮態(tài)”，當電壓信號低于設(shè)定閾值(設(shè)定值為2. 5V)時熒光計數(shù)低，單片機計數(shù)沒有溢出，記為“暗態(tài)”。這既解決了光電子計數(shù)器價格昂貴的問題，又將問題簡單化，直接將熒光計數(shù)的高低結(jié)果呈現(xiàn)出來，清晰明了。微處理器包括單片機，220V交流轉(zhuǎn)5V直流供電系統(tǒng)，及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)。單片機運用C語言編寫定時器程序，簡潔易于修改，對于程序編寫人員要求較低，程序設(shè)定一定閾值，當脈沖計數(shù)達到預(yù)設(shè)閾值時，計數(shù)溢出，輸出電平由低跳變到高。單片機中定時/計數(shù)器可對由T0/T1引腳輸入一個負脈沖進行加法計數(shù)，T0/T1加滿溢出時TF0/TF I標志位自動置“1”，單片機檢測到TCON中 Ο/TFl變“I”后，將產(chǎn)生指令執(zhí)行中斷服務(wù)程序，TFO/ TF I標志位會自動清“0”，以備下次中斷申請。如圖3所示。當離子在基態(tài)I和激發(fā)態(tài)II之間躍遷時，發(fā)出的熒光數(shù)多，因此微處理器接收的電子脈沖很多，從而積累的電壓信號高于預(yù)設(shè)閾值，因此處于“亮態(tài)”。離子光頻標選取的參考躍遷為基態(tài)I與亞穩(wěn)態(tài)III之間的躍遷。由于亞穩(wěn)態(tài)III的壽命長，通常為Is左右，因此，離子被泵浦到該態(tài)之后，每秒鐘發(fā)出的熒光數(shù)幾乎為O。此時，微處理器接收到的電子脈沖數(shù)幾乎為0，從而單位時間內(nèi)積累的電壓也為0，微處理器計數(shù)達不到預(yù)設(shè)閾值，因此處于“暗態(tài)”。在光頻標鐘躍遷譜線的探測中，采用周期性脈沖時序的方法進行探詢。時序如圖 4所示。首先采用一束線寬很窄的鐘躍遷激光B的脈沖對鐘躍遷譜線進行探詢，脈沖時間 tl，此時激光A關(guān)閉。之后探測光B關(guān)掉，冷卻光A打開，脈沖時間t2，探測離子發(fā)出的熒光， 微處理器也在t2時間內(nèi)進行電壓信號的積累。若離子被泵浦到亞穩(wěn)態(tài)III，則光電倍增管探測到的熒光數(shù)幾乎為0，因此微處理器積累的電壓幾乎為0，微處理器計數(shù)達不到預(yù)設(shè)閾值，則離子處于“暗態(tài)”，也稱離子發(fā)生了“量子跳躍”。反之，離子會在冷卻光A的泵浦下在基態(tài)I和激發(fā)態(tài)II之間循環(huán)，離子熒光數(shù)較高，從而積累的電壓信號高于預(yù)設(shè)閾值，使單片機電平跳變至1，稱離子處于“亮態(tài)”，也即沒有發(fā)生“量子跳躍”。由于兩種情況下微處理器的積累電壓相差很大，因此信噪比很高，從而很容易判斷該時間周期內(nèi)離子是否發(fā)生了“量子跳躍”。在激光B處于同一個頻率下，重復(fù)數(shù)十次以上周期性脈沖，可以得到該頻率下發(fā)生“量子跳躍”的個數(shù)。然后改變激光B的頻率，重復(fù)同樣多的激光脈沖周期，可以得到該激光頻率下的“量子跳躍”個數(shù)。這樣，我們就可以得到鐘躍遷譜線的吸收譜。
權(quán)利要求
1.一種基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，是利用光電倍增管將探測到的離子阱系統(tǒng)中產(chǎn)生的離子熒光光信號變成電脈沖之后，再將電脈沖信號進行放大后，輸入到微處理器，微處理器對接收到的電脈沖信號進行存儲，在單位時間內(nèi)對電脈沖信號進行積累，形成累加的電壓信號，當所述電壓信號高于設(shè)定值時，離子熒光計數(shù)高，微處理器計數(shù)溢出，此時為“亮態(tài)”；當所述電壓信號低于設(shè)定值時離子，熒光計數(shù)低，微處理器計數(shù)沒有溢出，此時為“暗態(tài)”。
2.如權(quán)利要求I所述基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，其特征在于在微處理器在進行累加的電壓信號計數(shù)前，利用幅度甄別器將微處理器接收到的脈沖進行分開， 實現(xiàn)電子脈沖和噪聲脈沖的分離。
3.如權(quán)利要求I所述基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，其特征在于所述微處理器將輸出信號給計算機，通過計算機實施鐘躍遷探測激光和離子冷卻激光的控制。
4.如權(quán)利要求I 3所述任一基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，其特征在于所述微處理器是單片機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微處理器的光頻標離子鐘躍遷探詢方法，是利用光電倍增管將探測到的離子阱系統(tǒng)中產(chǎn)生的離子熒光光信號變成電脈沖之后，再將電脈沖信號進行放大后，輸入到微處理器，微處理器對接收到的電脈沖信號進行存儲，在單位時間內(nèi)對電脈沖信號進行積累，形成累加的電壓信號，當所述電壓信號高于設(shè)定值時，離子熒光計數(shù)高，微處理器計數(shù)溢出，此時為“亮態(tài)”；當所述電壓信號低于設(shè)定值時離子，熒光計數(shù)低，微處理器計數(shù)沒有溢出，此時為“暗態(tài)”。其成本低，方法簡單易行?？捎糜诠忸l標、量子光學和量子信息等領(lǐng)域。
文檔編號G01J11/00GK102589721SQ20111038505
公開日2012年7月18日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者劉培亮, 曹健, 歐保全, 管樺, 雷海東, 高克林, 黃垚, 黃學人 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所