一種相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，通過驅動電流信號驅動半導體激光器，該驅動電流信號同時受由一個晶振產(chǎn)生并被鎖定在該晶振上的微波信號所調制，產(chǎn)生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光，將兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子作用，產(chǎn)生中心頻率等于微波信號與超精細能級拍頻的馳豫振蕩信號；再將馳豫振蕩信號進行光電轉換，并通過DSP芯片進行FFT變換，獲得振蕩中心頻率；最后以振蕩中心頻率作為FPGA的控制信號，改變DDS芯片的頻率控制字，得到標準頻率輸出。本發(fā)明提供的方法簡化了原子鐘系統(tǒng)的電路設計，提高了原子鐘的穩(wěn)定性和可靠性，且更有利于原子鐘的數(shù)字化和微型化。
【專利說明】一種相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及原子鐘與頻率標準【技術領域】，尤其涉及一種相干布居拍頻(CPB)原子鐘輸出標準頻率的方法。
【背景技術】
[0002]目前，原子鐘已在很多領域有著廣泛的應用，例如，在通信、導航等基礎科學研究領域，不同種類的原子鐘被研制出并得以應用。傳統(tǒng)原子鐘的原理是探測原子能級的參考譜線，并將原子鐘輸出的頻率與參考譜線鎖定，從而得到穩(wěn)定的原子鐘頻率。傳統(tǒng)原子鐘是原子某個能級的躍遷吸收或發(fā)射的頻率譜線為基準(因其具有相對較高的穩(wěn)定性)，用鎖相電路或類似技術將一個微波信號或光頻信號與這一躍遷頻率的中心鎖定，從而獲得一個與原子躍遷頻率接近一致的頻率輸出，作為原子鐘的基準頻率，而后再經(jīng)過頻率變換，使其輸出一個相對穩(wěn)定的特定頻率信號。因此，輸出頻率與參考譜線的鎖定是傳統(tǒng)原子鐘的重要技術，導致傳統(tǒng)原子鐘對鎖定電路的要求很高，加大其不穩(wěn)定因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述問題，本發(fā)明提供一種相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，所述方法利用Λ原子中的相干布居拍頻(CPB)現(xiàn)象和快速傅立葉變換(FFT)方法獲取原子鐘的標準頻率，無需對原子鐘的調制頻率進行鎖定，可簡化電路設計，提高原子鐘的穩(wěn)定性和可靠性。
[0004]本發(fā)明的技術方案包括如下步驟:
[0005]I)通過驅動電流源產(chǎn)生的驅動電流信號驅動半導體激光器，所述驅動電流信號同時受由一個晶振產(chǎn)生并被鎖定在該晶振上的微波信號所調制，由此產(chǎn)生兩個頻率差等于該微波信號頻率的泵浦激光。
[0006]2)上述兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子作用，所述微波信號的頻率與原子Λ三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁(CPT)譜線半寬度，產(chǎn)生一個中心頻率等于微波信號與超精細能級拍頻的馳豫振蕩信號；
[0007]3)通過快速傅立葉變換方法從馳豫振蕩信號得到振蕩中心頻率；
[0008]4)利用振蕩中心頻率作為控制信號，改變以步驟I)中所述晶振為源的數(shù)字頻率合成芯片(DDS芯片)的頻率控制字，得到標準頻率輸出。
[0009]上述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法中，進一步地:
[0010]步驟I)所述的微波信號同時受一個由所述晶振產(chǎn)生的方波信號調制，以使驅動電流在工作點和閾值以下周期性變換，從而使得泵浦激光按一定周期激發(fā)CPT失諧瞬態(tài)震蕩，所述方波信號的頻率小于CPT失諧瞬態(tài)震蕩頻率；
[0011]步驟I)所述的微波信號通過偏置樹Bias Tee對驅動電流信號進行調制，調制后的信號作為半導體激光器的驅動信號，產(chǎn)生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光；[0012]步驟2)是將所述半導體激光器產(chǎn)生的泵浦激光信號輸入到具有Λ三能級的原子氣室，從而使兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子發(fā)生作用；
[0013]在步驟3)將馳豫振蕩信號通過光電轉換為電信號后分為兩路，其中一路通過鎖相放大器反饋到驅動電流源，用于鎖定半導體激光器的工作波長；另一路通過數(shù)字信號處理(DSP)芯片進行快速傅立葉變換(FFT)，獲得振蕩中心頻率；
[0014]在步驟4)將振蕩中心頻率作為控制信號輸入到邏輯控制芯片(FPGA芯片)，所述數(shù)字頻率合成芯片(DDS芯片)的頻率控制字通過邏輯控制芯片(FPGA芯片)來改變，從而產(chǎn)生標準頻率輸出信號。
[0015]步驟4)中所述DDS芯片的時鐘信號由步驟I)所述晶振產(chǎn)生。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0017]本發(fā)明提供一種相干布居拍頻(CPB)原子鐘輸出標準頻率的方法，利用Λ原子中的CPB現(xiàn)象和FFT變換獲取原子鐘的標準頻率，無需對原子鐘的調制頻率進行鎖定。該方法將原來在射頻上進行的處理放到低頻段進行，使得處理更加容易。此外，該方法采用數(shù)字處理直接合成標準輸出的方式代替鎖相環(huán)方式進行頻率控制，簡化了原子鐘系統(tǒng)的電路設計，增強了原子鐘的穩(wěn)定性和可靠性，提高原子鐘系統(tǒng)對外部環(huán)境的適應性，且更有利于原子鐘的數(shù)字化和微型化。此外，相比傳統(tǒng)CPT鐘，本發(fā)明提供的CPB原子鐘的控制信號的信噪比更高，其阿倫方差測試結果也比同等條件下實現(xiàn)的傳統(tǒng)CPT原子鐘要好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的信號流程示意圖。
[0019]圖2為87Rb的三能級系統(tǒng)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的穩(wěn)定度測試結果圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明利用的CPB現(xiàn)象是當兩束相干激光穿過圓柱形原子氣室時產(chǎn)生的。當CPT現(xiàn)象發(fā)生時，兩束相干激光的頻率差恰好等于基態(tài)超精細能級頻率差。這兩束相干激光可以用合適的射頻信號調制單頻激光得到。如果該射頻信號相對于超精細能級頻率差產(chǎn)生失諧，輸出的光強將產(chǎn)生阻尼振蕩，振蕩的中心頻率等于失諧值。這個現(xiàn)象可以看成用來調制激光的射頻信號與CPT共振頻率的外差拍頻。阻尼振蕩的中心頻率精確地等于頻率的失諧量，并且會隨著用于調制激光的射頻信號的變化而波動。如果該射頻信號由一個晶振產(chǎn)生，那么振蕩頻率的波動會反映該晶振源所產(chǎn)生信號的漂移。
[0022]另外，為了產(chǎn)生振蕩，振蕩的中心頻率必須比CPT線寬值高，其值最好大于一千赫茲。因此，觀測信號赫茲量級的改變，必須借助于一個初始的失諧信號。另外，由于信號將會在IOms之內(nèi)迅速衰減，因此需要引入一個方波對射頻信號進行調制，使該射頻信號的值在CPT共振頻率以及相對該頻率存在幾千赫茲的失諧量之間變換，用這種辦法可以周期性地得到阻尼振蕩信號。
[0023]射頻信號是由源信號合成的，所以阻尼振蕩的中心頻率會以預先設定的失諧頻率為中心隨著源信號的波動而波動，并與信號源的波動成一定的比例關系。該波動可以通過提取阻尼振蕩中心頻率，然后減去預設失諧量得到。把這兩者的差除以射頻頻率與它的源的倍數(shù)關系直接與源信號相加得到的輸出就是一個與超精細能級穩(wěn)定度相同的信號。
[0024]該振蕩相當于原子基態(tài)超精細能級與特定射頻信號的拍頻，所以它的優(yōu)勢在于可以在低頻段進行信號處理而不是在射頻段進行處理。因此，可以非常方便地使用完備的信號處理手段獲得輸出的弛豫振蕩信號的信息。
[0025]輸出的弛豫振蕩信號在經(jīng)過光電轉換器轉化為電信號后，通過數(shù)模轉換芯片，輸入DSP芯片進行處理。在DSP芯片中，進行FFT變換，進而得到阻尼振蕩的中心頻率。對數(shù)模轉換芯片采樣需要考慮兩個因素:采樣頻率和采樣點數(shù)。首先，采樣頻率必須高于所采信號最高頻率成分的兩倍；其次，由于頻率分辨率等于采用頻率除以采樣點數(shù)，所以采樣點數(shù)必須足夠多，以使頻率分辨率足夠精確。同時，采用對FFT變換后產(chǎn)生的頻域信號取平均的方法消除系統(tǒng)噪聲。然而，足夠多的處理點數(shù)以及多次平均使得處理時間稱為一個不容忽視的問題。為了使處理時間盡可能短，針對阻尼振蕩的中心頻率的選擇需要考慮兩個方面:一方面，它必須足夠高以保證阻尼振蕩能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生；另一方面，它又必須盡可能低從而使采樣頻率比較低，進而在保證足夠精細的頻率分辨率的同時降低采樣點數(shù)。另外，同樣專門針對數(shù)字處理設計的芯片來提高計算速度。
[0026]基于上述原理，本發(fā)明首先由驅動電流源產(chǎn)生驅動電流信號，由晶振產(chǎn)生微波信號，微波信號通過偏置樹Bias Tee調制驅動電流源產(chǎn)生的驅動電流信號，調制后的信號作為半導體激光器的驅動信號，產(chǎn)生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光；再將兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子作用，產(chǎn)生中心頻率等于微波信號與超精細能級拍頻的馳豫振蕩信號；然后將馳豫振蕩信號通過光電轉換器進行光電轉換，光電轉換后的馳豫振蕩信號通過DSP芯片進行FFT變換，獲得振蕩中心頻率；最后利用振蕩中心頻率作為控制信號，改變以晶振產(chǎn)生信號作為時鐘的的DDS芯片的頻率控制字，得到標準頻率輸出。
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明進行進一步詳細描述，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍:
[0028]如圖1所示，在本發(fā)明的一個具體實施例中，一個被調制的VCSEL激光器被用來產(chǎn)生激光信號。晶振是整個系統(tǒng)唯一的信號源，射頻信號合成芯片鎖定在所述晶振上，由射頻信號合成芯片產(chǎn)生的射頻信號通過偏置樹Bias Tee與控制產(chǎn)生激光的直流信號耦合輸入VCSEL激光器。該射頻信號的作用是調制VCSEL激光器，使之產(chǎn)生相干激光。另外，該射頻信號同樣被一個1.5kHz的頻率調制。調制由一個41Hz的方波進行控制，使該射頻頻率在方波低電平時為Π，在方波高電平時為f0=fl+l.5kHz。1.5kHz為初始失諧頻率，它的值的大小是平衡阻尼振蕩產(chǎn)生效果以及采樣率的結果。在晶振理想的情況下，f0等于原子基態(tài)超精細能級頻率差fh ;當射頻頻率等于fl時,輸出光強會產(chǎn)生阻尼振蕩現(xiàn)象。其中心頻率為f0 - fh=l.5kHz。如果源信號漂移，f0會相應改變，振蕩的中心頻率，f0 - fh，也會相應變化。
[0029]從VCSEL激光器產(chǎn)生的被調制的激光信號被注入具有Λ三能級的原子氣室。本實施例中，具有Λ三能級的原子氣室為87Rb銣泡。87Rb的三能級系統(tǒng)如圖2所示。銣泡中含有Ar、Ne混合的緩沖氣體。銣泡腔內(nèi)的總壓強為5kPa，Ar與Ne的比例是1:1.2。由于緩沖氣體與銣原子碰撞而產(chǎn)生碰撞頻移，并且其對溫度非常敏感。因此，需要設有嚴格的溫控系統(tǒng)。本實施例使用兩片由單片機控制的TEC，以保持工作溫度穩(wěn)定在30攝氏度，控溫精度為0.1攝氏度。[0030]由VCSEL激光器產(chǎn)生的795nm光頻信號通過鎖相放大器控制激光器注入電流被穩(wěn)定在87Rb的Dl吸收峰上。激光通過87Rb銣泡后由光電探測器轉化成電信號。該信號由一串中心頻率為fO-fh的阻尼振蕩信號組成。同時，信號中也包括由于環(huán)境以及系統(tǒng)引入的噪聲。這些高頻噪聲以及信號的直流成分在通過帶通濾波器后得到了較好的消除。經(jīng)過濾波器的信號經(jīng)過放大后被模數(shù)轉換芯片以4.1kHz的采樣率采集。該采樣率能夠滿足奈奎斯特采樣頻率的要求。處理點數(shù)被設置為4096，頻率分辨率因而被設置為1Hz。但是，一段振蕩中大概只能采集到一百個點左右，剩余點數(shù)則需要補零處理。另外，為了消除隨機噪聲的影響，將5次經(jīng)過FFT得到的頻率信號加在一起進行平均，最后得到輸出信號f0 - fh。本實施例中，整個處理過程都是在TI公司的一款數(shù)字信號處理芯片(DSP芯片)中完成的，處理時間大約為9s。DSP芯片的輸出作為控制信息輸入用來控制DDS芯片的FPGA芯片。DDS芯片與射頻信號共用同一個晶振為源合成IOMHz信號。它的頻率控制字將隨著控制信號的改變而相應改變，以此消除由于晶振源信號漂移造成的合成信號的漂移，進而獲得一個標準頻率。
[0031]圖3為本具體實施例實現(xiàn)的相干布居拍頻原子鐘的穩(wěn)定度測試結果，用阿倫方差表示，秒穩(wěn)定度為3e-ll，千秒穩(wěn)定度為3e-12。該指標優(yōu)于利用相同物理系統(tǒng)搭建的相干布居囚禁原子鐘系統(tǒng)一個量級。
【權利要求】
1.一種相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征是，包括如下步驟: 1)通過驅動電流源產(chǎn)生的驅動電流信號驅動半導體激光器，所述驅動電流信號同時受由一個晶振產(chǎn)生并被鎖定在該晶振上的微波信號所調制，由此產(chǎn)生兩個頻率差等于該微波信號頻率的泵浦激光； 2)所述兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子作用，所述微波信號的頻率與原子A三能級系統(tǒng)的兩個下能級間隔有偏差，偏差頻率大于相干布居數(shù)囚禁譜線半寬度，產(chǎn)生一個中心頻率等于微波信號與超精細能級拍頻的馳豫振蕩信號； 3)通過快速傅立葉變換方法從馳豫振蕩信號得到振蕩中心頻率； 4)利用振蕩中心頻率作為控制信號，改變以步驟I)中所述晶振為源的數(shù)字頻率合成芯片的頻率控制字，得到標準頻率輸出。
2.如權利要求1所述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征是，步驟I)所述的微波信號同時受一個由所述晶振產(chǎn)生的方波信號調制，以使驅動電流在工作點和閾值以下周期性變換，從而使得泵浦激光按一定周期激發(fā)CPT失諧瞬態(tài)震蕩，所述方波信號的頻率小于CPT失諧瞬態(tài)震蕩頻率。
3.如權利要求1所述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征是，在步驟I)中，所述微波信號通過偏置樹Bias Tee對所述驅動電流信號進行調制，調制后的信號作為所述半導體激光器的驅動信號，產(chǎn)生兩個頻率差等于上述微波信號頻率的泵浦激光。
4.如權利要求1所述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征是，步驟2)是將所述半導體激光器產(chǎn)生的泵浦激光信號輸入到具有Λ三能級的原子氣室，從而使兩個泵浦激光與具有Λ三能級系統(tǒng)的原子發(fā)生作用。
5.如權利要求1所述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征是，在步驟3)將馳豫振蕩信號通過光電轉換為電信號后分為兩路，其中一路通過鎖相放大器反饋到驅動電流源，用于鎖定半導體激光器的工作波長；另一路通過數(shù)字信號處理芯片進行快速傅立葉變換，獲得振蕩中心頻率。
6.如權利要求1所述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征在于，在步驟4)將所述振蕩中心頻率作為控制信號輸入到一個邏輯控制芯片，所述數(shù)字頻率合成芯片的頻率控制字通過所述邏輯控制芯片來改變，從而產(chǎn)生標準頻率輸出信號。
7.如權利要求1所述相干布居拍頻原子鐘輸出標準頻率的方法，其特征是，步驟4)中所述數(shù)字頻率合成芯片的時鐘信號由步驟I)所述晶振產(chǎn)生。
【文檔編號】H03L7/26GK103684450SQ201310722150
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】汪中, 李大為, 石岱庭, 田路, 趙建業(yè) 申請人:北京大學