[发明专利]一种被动型相干布居数囚禁原子频标的全数字伺服装置

说明书

技术领域

本发明涉及原子频标技术领域，具体涉及一种被动型相干布居数囚禁（CPT, Coherent Population Trapping）原子频标的伺服装置，尤其适用于制造被动型CPT原子频标。

背景技术

被动型CPT原子频标是一种提供高稳定度、高准确度的频率信号的设备，可满足导航、精确定位、精密计时和精密测量等众多应用要求。被动型CPT原子频标具有体积小、功耗低、重量轻、启动快和可微型化等特点，因而扩展了原子频标的应用领域，可应用于导航、通信、导弹制导、卫星控制、电网调节和电子学仪器设备等技术领域。

双色相干光与基态两个超精细能级和一个激发态能组成的三能级原子体系相互作用，当双色光的两频率之差等于基态两个超精细能级频率差时，原子的两个超精细能级被相干耦合起来，不再吸收光子向激发态跃迁，而被囚禁在基态的两个子能级上，称为CPT态原子。利用微波对激光调制获得双色相干激光与原子作用，改变微波频率，当双色光频率之差等于基态两个超精细能级频率差时，原子被制备成CPT态而对光的吸收减弱，探测激光强度将从原子对激光的吸收谱中获得光强极大值，这就是电磁感应透明（EIT，Electromagnetically Induced Transparency）谱线。被动型CPT原子频标利用晶振的输出频率通过微波链产生调制激光的微波，探测微波调制的激光与原子作用后的激光光强获得的EIT谱线作为鉴频信号，将此鉴频信号通过同步鉴相后得到负反馈纠偏信号去稳定晶振的输出频率，获得高稳定的标准频率信号。这就是被动型CPT原子频标的基本工作原理。

根据功能不同，被动型CPT原子频标可分为物理系统和伺服装置两部分。物理系统的作用是产生光－原子相互作用后的光检信号，光检信号中的原子对光的多普勒吸收谱线能反映出激光频率的偏差程度，而EIT谱线可反映出晶振输出频率的偏差程度。

伺服装置主要包括直流环路和微波环路。直流环路的基本功能是为纵腔面半导体激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface Emitting Laser）提供稳定的直流偏置，并且产生负反馈量实现激光频率稳频。在被动型CPT原子频标的工作范围中，VCSEL的直流偏置与输出激光频率具有近似线性的对应关系，通过连续改变直流偏置而改变激光的输出频率，能从光检信号中获得原子对光的多普勒吸收谱线。用多普勒吸收谱线作为激光频率的鉴频信号，在直流环路中通过同步鉴相产生负反馈纠偏信号，纠偏信号叠加到直流偏置输入VCSEL，实现激光频率稳频。微波环路的基本功能是为实现所需要的双色光提供合适的微波，并且产生负反馈量实现微波频率稳频。微波环路将压控晶振输出的频率倍频综合后产生所需频率的微波输入VCSEL，从而使VCSEL输出调频多色光，其中两频率之差等于原子基态两个超精细能极的频率差。该光与原子作用后从光检信号中获得作为微波鉴频信号的EIT信号，在微波环路中通过同步鉴相产生负反馈纠偏信号，纠偏信号输入压控晶振的压控端，这样就通过原子－光相互作用的CPT物理现象实现晶振输出频率的稳频。

为了从光检信号中分别提取出对激光频率和微波频率的纠偏信号，被动型CPT原子频标通常使用相关检测原理。首先对光检信号进行两路带通滤波，分别得到激光频率和微波频率的鉴频信号，然后分别进行同步鉴相，得到激光频率和微波频率环路的纠偏信号。对于被动型CPT原子频标来说，滤波部分和鉴相部分通常采用的是模拟方式或模数混合方式，这样就使被动型CPT原子频标的体积和功耗都比较大，且结构复杂，不易专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuits）集成。

模拟伺服虽然可以实现被动型CPT原子频标的伺服功能，但是其存在体积大、功耗大和结构复杂等缺点，限制了被动型CPT原子频标的发展与应用。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种被动型相干布居数囚禁原子频标的全数字伺服装置，其具有体积小、功耗低、结构简单、稳定度高和可微型化的特点，满足小型化和微型化的被动型CPT原子频标的需求。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：