[发明专利]微波相位调制锁定原子钟

说明书

技术领域

本发明涉及微波原子钟，特别是一种微波相位调制锁定原子钟。

背景技术

原子钟的发展历史最早可以追溯到第二次世界大战前后。其主要得益于当时量子力学和微波波谱学的快速发展。早期的微波钟使用的是非相干光源做抽运光和探测光，其后随着激光器的发展，激光选态和检测方法被应用到原子钟研究，以期得到更好的效果。铷原子频标由于短期稳定度高、体积小巧和便于携带的特点而得到了广泛的应用。现有的脉冲光抽运原子频标采用三能级结构，如图1所示。比如说，当原子钟使用⁸⁷Rb原子介质时，利用激光01和微波诱导跃迁02在时间上分开的技术(分离振荡场技术)。先利用激光01将能级03(|5S_1/2,F＝2>)上的原子抽空，原子气体就不再吸收激光01。这时再加上微波Ramsey作用(两个在时间上分开的微波脉冲),使原子在能级03和能级04(|5S_1/2,F＝1>)之间发生磁偶极跃迁，激光01的抽运作用时序05，微波作用时序06，微波作用完后进行激光吸收法探测，得到发生钟跃迁的信息。跃迁过程使一部分原子被抽运到能级03上，造成能级03上原子布居数的改变，能级03上的原子布居数随着微波频率失谐的改变而改变，从而携带Ramsey条纹。如果微波频率与钟跃迁频率严格共振，则正负失谐得到的信号相等，误差信号为零。一旦微波频率稍微离开共振处，则正负失谐得到的钟跃迁信号不相等，做差可以得到误差信号，它可以作为锁定本地晶体振荡用的反馈信号。

现有的非自激型分离振荡场技术原子钟的结构环路方框图如图2所示。其原理是受控晶振1作为初始信号源,由第一输出端提供标准频率输出和第二输出端提供激励输出到倍频综合器2的第一输入端。调制振荡器3的输入端与时序发生器4的输出端相连，接受时序控制进行正负跳频，时序发生器4在前半个周期内进行正跳频，在后半个周期内进行负跳频。调制振荡器3通过输出端把信号输入到倍频综合器2的第二输入端,再与受控晶振1的第二输出端提供的激励信号在倍频综合器2中进行调制，从而使激励跃迁频率在原子跃迁频率上有一个小的正负跳频，并从倍频综合器2的输出端输出进入到量子系统5。如果倍频综合器2的输出端输出的激励信号的频率和量子系统5的本身的跃迁谱线中心频率不相等时，经过量子系统5后得到不同的信号强度，一个周期内两次信号都由量子系统5的输出端输出到数据采集处理器6的输入端，数据采集处理器6将两次得到的信号做差得到误差信号，从输出端输出到比例积分微分控制器7的输入端。比例积分微分控制器7将信号处理后由输出端输出到受控晶振1的输入端，以调整其频率，使之与跃迁谱线中心频率相等。当受控晶振1与跃迁谱线中心频率吻合时，数据采集处理器6不再给出误差信号，受控晶振1保持稳定。

所述的量子系统5产生纠偏电压的过程如图3所示。量子系统的Ramsey曲线的中心条纹区域处，当受控晶振1的频率经倍频综合器2的输出端输出的激励信号的中心频率和量子系统5的本身的跃迁谱线中心频率相等时，也即微波频率处于横坐标11处时，再经过调制振荡器3的正负跳频，当正跳频时，微波频率处于横坐标12处，经过一个Ramsey微波探询，得到的钟跃迁信号处于纵坐标14处，负跳频时，微波频率处于横坐标13处，经过Ramsey微波探询，得到的钟跃迁信号大小处于纵坐标14处，两者大小相等，产生的误差信号为零。当受控晶振1的频率离开中心频率时，经过倍频综合器2后，假设其频率向右离开原子的中心频率，处于横坐标15处，正跳频时，微波频率处于16处，经过Ramsey微波探询，利用激光探测得到的钟跃迁信号大小处于纵坐标17处；负跳频时，微波频率处于18处，经过Ramsey微波探询，利用激光探测得到的钟跃迁信号大小处于纵坐标19处，将17处的信号与19处的信号在数据采集处理器6作差后得到负的误差信号，经过比例积分微分控制器7处理放大后，反馈到受控晶振1，使其频率降低。同样地，当微波频率向左离开原子的中心频率，量子系统5给出正的反馈电压使其频率回到中心处，以保证受控晶振1的稳定性。

钟跃迁信号依赖于微波与原子相互作用，这种作用是在微波腔中进行的，因而任何影响到微波与原子作用强度的因素都会对原子钟的性能产生影响。比如，微波的频率，当微波频率正负失谐相等时，理论上微波与原子的作用强度相等，但是由于微波腔的共振中心与原子的谱线中心频率可能不严格相等，因而其耦合强度可能不同，也即产生腔相移；另一个原因是原子的速度分速度会产生不同的失谐使微波相对其中心频率偏开，理论上的正负失谐的作用强度不再相等，从而影响钟跃迁信号，进而影响原子钟性能。

发明内容