本發(fā)明涉及被動(dòng)型氣泡式原子鐘，尤其是一種提高原子鐘頻率穩(wěn)定度的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明可以獲得線寬為1/(4T)的拉姆齊條紋(T是兩個(gè)微波脈沖之間的時(shí)間間隔)，比通常的1/(2T)線寬減小一半，從而提高原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

背景技術(shù)：

導(dǎo)航定位、高速無(wú)線通信和高分辨率的光譜等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω叻€(wěn)定度的時(shí)間頻率信號(hào)源的需求愈加迫切。銣原子鐘由于頻率穩(wěn)定度高，體積小巧，便于攜帶的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。

對(duì)于脈沖運(yùn)行原子鐘，表征其頻率穩(wěn)定度的Allan方差可以表示為：

其中τ為取樣時(shí)間，T_C為原子鐘的工作周期，Q＝v₀/Δv為躍遷譜線的品質(zhì)因子，Δv為拉姆齊條紋的半高全寬，v₀為鐘躍遷頻率，S/N為拉姆齊條紋的信噪比。對(duì)于確定的共振頻率，原子躍遷譜線的Q值越高，即線寬越窄，則原子鐘的頻率穩(wěn)定度就越好。因此壓縮拉姆齊線寬是提高原子鐘頻率穩(wěn)定度的有效途徑。

脈沖光抽運(yùn)氣泡式銣原子鐘結(jié)合脈沖光抽運(yùn)制備量子態(tài)和時(shí)域拉姆齊分離振蕩場(chǎng)技術(shù)獲得拉姆齊干涉條紋，它的每個(gè)周期包括脈沖光抽運(yùn)、微波脈沖探詢和檢測(cè)原子躍遷幾率這三個(gè)在時(shí)間上完全分開(kāi)的階段，因此從原理上可以消除光頻移，而且可以最大化地利用原子鐘躍遷能級(jí)間的相干時(shí)間，壓窄原子躍遷譜線的寬度。脈沖光抽運(yùn)氣泡式銣原子鐘通常采用吸收法檢測(cè)通過(guò)原子介質(zhì)后的光強(qiáng)變化獲得拉姆齊條紋，此方法由于存在強(qiáng)的背景光，獲得的拉姆齊條紋對(duì)比度不超過(guò)30％，并且線寬等于1/(2T)。(參考文獻(xiàn)：Micalizio S,Calosso C E,Godone A,et al.Metrological characterization of the pulsed Rb clock with optical detection[J].Metrologia,2012,49(4):425.)

林錦達(dá)等(中國(guó)專利：CN102799103A，具有高對(duì)比度鑒頻信號(hào)的銣原子鐘)通過(guò)將兩個(gè)正交的格蘭泰勒棱鏡放在物理系統(tǒng)的前后兩端，利用基于磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的正交偏振光探測(cè)技術(shù)，可以消除背景光強(qiáng)，提高探測(cè)靈敏度，獲得對(duì)比度大于90％的躍遷譜線。但是在他采用的原子鐘方案中連續(xù)微波和光同時(shí)作用于原子系統(tǒng)，因此存在光頻移，并且譜線寬度受激光和微波功率影響，影響原子鐘性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)通常脈沖原子鐘拉姆齊條紋線寬只能達(dá)到1/(2T)的局限，將脈沖光抽運(yùn)原子鐘技術(shù)和正交偏振光探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，基于磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)壓縮拉姆齊條紋線寬達(dá)到1/(4T)，從而提高原子鐘的頻率穩(wěn)定度。為解決上述技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的技術(shù)解決方案包括以下兩個(gè)方面。

在本發(fā)明內(nèi)容的第一方面中，提供了一種提高原子鐘頻率穩(wěn)定度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、微波頻率綜合器、受控晶振和原子鐘控制系統(tǒng)，上述部件的連接關(guān)系如下：

所述的光學(xué)系統(tǒng)的輸入端與所述的原子鐘控制系統(tǒng)的第一輸出端相連，所述的光學(xué)系統(tǒng)的輸出端與所述的物理系統(tǒng)的第一輸入端相連；

所述的物理系統(tǒng)的第二輸入端與所述的微波頻率綜合器的輸出端相連，所述的物理系統(tǒng)的輸出端與所述的原子鐘控制系統(tǒng)輸入端相連；

所述的微波頻率綜合器的第一輸入端與所述的原子鐘控制系統(tǒng)的第二輸出端相連，所述的微波頻率綜合器第二輸入端與所述的受控晶振的第一輸出端相連；

所述的受控晶振的輸入端與所述的原子鐘控制系統(tǒng)的第三輸出端相連，所述的受控晶振的第二輸出端輸出原子鐘頻率信號(hào)；

所述的光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成包括半導(dǎo)體激光器、隔離器、半波片、偏振分束器、聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator,簡(jiǎn)稱為AOM)、透鏡、四分之一波片、反射鏡及擴(kuò)束鏡，聲光調(diào)制器作為光開(kāi)關(guān)，它的負(fù)一級(jí)衍射光脈沖用于光抽運(yùn)和光探測(cè)，所述的物理系統(tǒng)的構(gòu)成包括第一格蘭泰勒棱鏡、微波腔吸收泡組件和第二格蘭泰勒棱鏡，第一格蘭泰勒棱鏡和第二格蘭泰勒棱鏡正交，所述的原子鐘控制系統(tǒng)包括光電探測(cè)器和原子鐘控制電路；

在本發(fā)明內(nèi)容的第二方面中，提供了一種基于磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)提高原子鐘頻率穩(wěn)定度的方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、在微波頻率綜合器不加微波頻率調(diào)制的情況下，設(shè)定微波頻率綜合器的微波功率，然后光電探測(cè)器依次探測(cè)微波頻率綜合器不同微波頻率處的前向散射光強(qiáng)獲得拉姆齊條紋，確定鐘躍遷共振頻率；

步驟2、將微波頻率綜合器的微波頻率固定在鐘躍遷共振頻率處，通過(guò)改變微波頻率綜合器的微波功率，光電探測(cè)器探測(cè)共振頻率處的前向散射光強(qiáng)，確定π/2脈沖對(duì)應(yīng)的微波功率；

步驟3、利用π/2脈沖對(duì)應(yīng)的微波功率設(shè)定微波頻率綜合器的微波功率，通過(guò)改變微波頻率綜合器的微波頻率，光電探測(cè)器探測(cè)前向散射光強(qiáng)獲得π/2脈沖的拉姆齊條紋，確定π/2脈沖拉姆齊條紋的半高線寬；

步驟4、利用π/2脈沖的線寬確定微波頻率調(diào)制的幅度，通過(guò)微波頻率綜合器設(shè)定該微波頻率調(diào)制的幅度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)頻率鎖定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

可以消除光頻移，獲得對(duì)比度為90～96％的拉姆齊條紋；

采用兩個(gè)時(shí)間間隔為T的π/2微波脈沖可以獲得線寬為1/(4T)的拉姆齊條紋，比通常的1/(2T)線寬減小一半，原子鐘頻率穩(wěn)定度提高20～30％。

附圖說(shuō)明

圖1是脈沖光抽運(yùn)原子鐘原理框圖

圖2是脈沖光抽運(yùn)原子鐘時(shí)序圖

圖3是脈沖光抽運(yùn)原子鐘結(jié)構(gòu)圖

圖4是⁸⁷Rb原子的能級(jí)圖

圖5是共振頻率處前向散射光強(qiáng)與微波功率的關(guān)系

圖6是采用π/8微波脈沖獲得的拉姆齊條紋

圖7是采用π/2微波脈沖獲得的拉姆齊條紋

圖8是采用π/2和π/8微波脈沖的銣原子鐘閉環(huán)頻率穩(wěn)定度對(duì)比

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

先參閱圖1，圖1是脈沖光抽運(yùn)原子鐘原理框圖。光學(xué)系統(tǒng)1產(chǎn)生光脈沖進(jìn)入物理系統(tǒng)2與銣原子相互作用，微波頻率綜合器3產(chǎn)生微波脈沖進(jìn)入物理系統(tǒng)與原子相互作用，微波脈沖和光脈沖在時(shí)間上分開(kāi)與原子相互作用，從而消除光頻移，原子鐘控制系統(tǒng)5探測(cè)透過(guò)物理系統(tǒng)2的前向散射光。原子鐘控制系統(tǒng)5產(chǎn)生光功率控制時(shí)序控制光學(xué)系統(tǒng)輸出的光脈沖，產(chǎn)生的微波功率和頻率控制時(shí)序控制微波頻率綜合器3輸出的微波脈沖，原子鐘控制系統(tǒng)5產(chǎn)生控制電壓調(diào)整受控晶振4輸出信號(hào)的頻率。受控晶振4有兩路輸出，一路作為微波頻率綜合器3的參考信號(hào)，另一路作為原子鐘頻率信號(hào)輸出。

參閱圖2，原子鐘控制系統(tǒng)5產(chǎn)生脈沖原子鐘控制時(shí)序，包括光功率控制信號(hào)、微波功率控制信號(hào)及微波頻率調(diào)制信號(hào)。在微波頻率調(diào)制信號(hào)06階段，光脈沖01制備量子態(tài)，接著兩個(gè)時(shí)間間隔為T的相干微波脈沖02、04探詢?cè)樱?3是自由演化階段，最后利用探測(cè)光05檢測(cè)基態(tài)兩能級(jí)原子躍遷幾率。在微波頻率調(diào)制信號(hào)07階段，光脈沖08制備量子態(tài)，接著兩個(gè)時(shí)間間隔為T的相干微波脈沖09、011探詢?cè)樱?10是自由演化階段，最后利用探測(cè)光012檢測(cè)基態(tài)兩能級(jí)原子躍遷幾率。在微波頻率調(diào)制信號(hào)06和07的作用下，原子鐘依次工作在拉姆齊共振峰的兩側(cè)半高處從而獲得誤差信號(hào)，然后根據(jù)數(shù)字PID算法，輸出控制電壓來(lái)校正受控晶振4的頻率實(shí)現(xiàn)POP原子鐘的閉環(huán)頻率鎖定。脈沖光油運(yùn)原子鐘采用將脈沖光抽運(yùn)、微波脈沖探詢和檢測(cè)原子躍遷幾率這三個(gè)階段在時(shí)間上完全分開(kāi)的方案，因此從原理上可以消除光頻移。

再參考圖3，圖3是脈沖光抽運(yùn)原子鐘結(jié)構(gòu)圖。半導(dǎo)體激光器11產(chǎn)生795nm的激光，先經(jīng)過(guò)隔離器12，防止光再進(jìn)入激光器，經(jīng)過(guò)二分之一波片13及偏振分束器14，可調(diào)節(jié)進(jìn)入聲光調(diào)制器15(acousto-optic modulator,簡(jiǎn)稱為AOM)的光強(qiáng)度。再兩次通過(guò)AOM 15、透鏡16、四分之一波片17、反射鏡18，進(jìn)入擴(kuò)束器19，光束直徑變大，讓更多的原子能夠與光相互作用。接著，通過(guò)第一格蘭泰勒棱鏡21變成線偏振光22與微波腔吸收泡組件23內(nèi)的原子相互作用后，偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)變成24射入第二格蘭泰勒棱鏡25。所述的第一格蘭泰勒棱鏡21和第二格蘭泰勒棱鏡25正交。光束最終到達(dá)光電探測(cè)器51，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)原子鐘控制電路52輸出一個(gè)控制電壓調(diào)整受控晶振4的輸出頻率，受控晶振4的一路輸出頻率信號(hào)作為微波頻率綜合器3的參考信號(hào)，微波頻率綜合器3輸出微波脈沖，進(jìn)入微波腔吸收泡組件23與原子相互作用。

最后參閱圖4，圖4是⁸⁷Rb原子的能級(jí)圖。能級(jí)41(5S_1/2,F＝2,m_F＝0)和能級(jí)42(5S_1/2,F＝1,m_F＝0)之間的6.834GHz的微波躍遷45作為鐘躍遷，能級(jí)41和能級(jí)43(5P_1/2,F＝2)之間的795nm光躍遷44作為抽運(yùn)和探測(cè)躍遷。

高穩(wěn)定度脈沖原子鐘的調(diào)整步驟如下：

步驟1，在微波頻率綜合器3不加微波頻率調(diào)制的情況下，設(shè)定微波頻率綜合器3的微波功率，通過(guò)光電探測(cè)器51依次探測(cè)微波頻率綜合器3不同微波頻率處的前向散射光強(qiáng)獲得拉姆齊條紋，確定鐘躍遷共振頻率。

步驟2，將微波頻率綜合器3的微波頻率固定在鐘躍遷共振頻率處，通過(guò)改變微波頻率綜合器3的微波功率，光電探測(cè)器51探測(cè)共振頻率處的前向散射光強(qiáng)，確定π/8，和π/2脈沖對(duì)應(yīng)的微波功率。結(jié)果如圖5所示。當(dāng)微波功率小于-18dBm(π/4脈沖)，前向散射光強(qiáng)隨微波功率增大而逐漸增大。此后微波功率進(jìn)一步增大前向散射光開(kāi)始減小，當(dāng)微波功率為-12dBm(π/2脈沖)，前向散射光強(qiáng)為零，此時(shí)拉姆齊條紋分裂為兩個(gè)線寬壓縮一半的拉姆齊條紋。

步驟3，利用π/8脈沖對(duì)應(yīng)的微波功率設(shè)定微波頻率綜合器3的微波功率，通過(guò)改變微波頻率綜合器3的微波頻率，光電探測(cè)器51探測(cè)前向散射光強(qiáng)分別獲得π/8脈沖的拉姆齊條紋，確定π/8脈沖拉姆齊條紋的半高線寬。當(dāng)微波功率為-24dBm(π/8脈沖)，得到拉姆齊條紋如圖6所示，此時(shí)的拉姆齊線寬為128Hz符合1/(2T)的規(guī)律；

步驟4，利用π/2脈沖對(duì)應(yīng)的微波功率設(shè)定微波頻率綜合器3的微波功率，通過(guò)改變微波頻率綜合器3的微波頻率，光電探測(cè)器51探測(cè)前向散射光強(qiáng)分別獲得π/2脈沖的拉姆齊條紋，確定π/2脈沖拉姆齊條紋的半高線寬。而當(dāng)微波功率為-12dBm(π/2脈沖)，得到拉姆齊條紋如圖7所示，此時(shí)拉姆齊線寬為64Hz符合1/(4T)，線寬壓縮了一半。

步驟5，分別利用π/8脈沖和π/2脈沖的拉姆齊條紋的半高線寬確定微波頻率調(diào)制的幅度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)頻率鎖定，并測(cè)量頻率穩(wěn)定度，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯霾捎忙?2脈沖原子鐘頻率穩(wěn)定度比采用π/8脈沖提高了20-30％。

本發(fā)明針對(duì)通常脈沖原子鐘拉姆齊條紋線寬只能達(dá)到1/(2T)的局限，將脈沖光抽運(yùn)原子鐘技術(shù)和正交偏振光探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，首先利用光脈沖進(jìn)行量子態(tài)制備，接著利用兩個(gè)時(shí)間間隔為T的π/2微波脈沖探詢?cè)討B(tài)，最后基于正交偏振光探測(cè)技術(shù)獲得線寬為1/(4T)的拉姆齊條紋，這一線寬比通常的1/(2T)線寬減小一半，并且可以將原子鐘頻率穩(wěn)定度提高20-30％。