[发明专利]具有高对比度鉴频信号的铷原子钟

说明书

技术领域

本发明涉及被动型光抽运气泡式铷原子钟，特别是一种具有高对比度鉴频信号的铷原子钟。

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，便于携带的特点而得到了广泛的应用。现有的光抽运铷原子频标一般采用三能级结构，如图1所示。（参考文献： J. Vanier  & C. Mandache. The passive optically pumped Rb frequency standard: the laser approach. Appl. Phys. B 87,565-593(2007)） 一般地，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双共振技术。当能级03（|5S_1/2 , F=2>）上的原子被抽空以后，原子气体就不再吸收激光01了。这时再加上微波, 使原子在能级03和能级04（|5S_1/2 , F=1>）之间发生磁共振跃迁。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，从而吸收激光01使原子跃迁到激发态05上。最终透过原子气体的激光01由于被吸收而导致透射光强发生变化。能级03上的原子布居数随着微波拉比（Rabi）频率的改变而改变，进而对激光01的吸收也改变。因此，通过改变微波的失谐来改变微波的拉比频率，使激光01通过原子气体时被吸收，形成共振吸收线。该吸收谱线代表微波诱导跃迁02的共振谱线。它可以作为原子频标中鉴频用的标准谱线。

现有的非自激型原子钟的结构环路方框图如图2所示。（参考文献：王义遒，王庆吉， 傅济时，董太乾 量子频标原理 第四章 p239 北京 科学出版社 1986）其原理是受控晶振1的第一输出端提供标准频率输出。受控晶振1的第二输出端提供激励并输出到倍频综合器2到第一输入端。调制振荡器3通过第一输出端把基频信号输出到倍频综合器2的第二输入端。 倍频综合器2的第二输入端得到的信号对倍频综合器2的第一输入端得到的信号进行调制，从而使激励跃迁频率有一个小调频，并从倍频综合器2的输出端输出到量子系统5。调制振荡器3的第二输出端提供基波频率给相检波器6的第一输入端。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本身的跃迁谱线中心频率不相等时，量子系统5将两者的频率差变换为误差信号，并通过量子系统5的输出端输出到相检波器6的第二输入端。此时工作于基波频率的相检波器6将量子系统5输出的误差电压转变为一定极性的直流纠偏电压，再由输出端输出到直流放大器4的输入端。直流放大器4将相检波器6输出的直流纠偏电压加以处理，然后由输出端输出到受控晶振1的输入端，以调整其频率。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本身的跃迁谱线中心频率相等时，量子系统5的输出电压频率为调制频率的两倍，由量子系统5的输出端输出到相检波器6的输入端，经过基波鉴相后不产生纠偏电压。

所述的量子系统5的结构框图如图3所示，其构成包括半导体激光器51，沿该半导体激光器51的输出方向依次是隔离器53，扩束器54，物理装置50和光电探测器516。所述的物理装置50所需的微波场是由微波发生器510通过耦合环511馈入到微波腔512产生的。微波发生器510信号来自于所述的倍频综合器2的输出端。在微波的作用下，原子发生磁偶极跃迁，即钟跃迁。光束52经过已经发生钟跃迁的原子气体以后，将被吸收。随着微波拉比频率的改变，透射光光强跟着改变。被光电探测器516探测后得到原子钟的鉴频吸收谱线，并输出到相检波器6的输入端。