[发明专利]用于原子频率标准的瞬态场询问器

说明书

本发明涉及频率标准，更具体地说，是涉及光抽运原子频率标准。

原子频率标准是具有一种共振系统的装置，该共振系统来源于原子或分子，而该原子或分子经历了在两或更多确定的原子或分子能级之间的跃迁。

例如，众所周知铷（Rb）原子的两个最低能级是基态超精细结构能级A和B。当用微波照射处于能级A和B的气态Rb-87原子而且该微波的能量正好等于对应造成超精细结构能级之间的原子跃迁的铷频率，即“跃迁频率”时，处于超精细结构能级A的铷原子将向能级B跃迁，且反之亦然。该跃迁可被用作高度精确的频率基准，而石英晶体振荡器或电压控制晶体振荡器（VCXO）的频率可用电子学方法锁定在该频率基准上，以产生原子频率标准。

在这种原子控制振荡器中，石英晶体振荡器的频率是借助成套的物理设备以及相关的电子设备来控制的，这些设备被用来使指定的输出频率（一般为5MHz或10MHz）在非常长的时期内保持极端的精确和稳定。通过适当地使石英晶体振荡器接受该物理设备中的原子跃迁的频率的控制，可大大地抑制石英晶体因为老化和其他固有因素以及环境效应而引起的漂移倾向。典型的原子频率标准的物理设备一般包括微波谐振腔、同位素滤波单元、吸收单元、光源、光检测器、温度控制装置、以及至少一个包围这些元件的磁屏蔽器。

在这种典型的铷原子频率标准中，例如，光源是包含铷原子的玻璃灯泡，它通过射频激发等离子体放电而发光。该灯中的铷被加热至约110℃的蒸气状态，并经受高能射频场，从而从受激发的铷原子发光。这种“铷光”被引过一滤波单元，该滤波单元包含诸如Rb-85的铷同位素并滤除具有会激发从超精细结构能级B至任何光学受激能级C的波长的光。滤波之后的铷光随后经过一吸收单元，也称为共振单元。该吸收单元包括铷的另一种同位素，Rb-87，且被处于超精细结构能级A的Rb-87原子吸收的、滤波之后的光能量造成Rb-87原子从能级A向任何光学受激能级C的跃迁。然而，被激发到能级C的原子在能级C的停留时间不超过几十ns（纳秒），而是通过光的自发辐射和/或碰撞（包括与其他原子、分子、或吸收单元的壁的碰撞）而以大体相等的数目返回到基态超精细结构能级A和B。由于滤波之后的光不允许原子从能级B跃迁到能级C，原子从能级A至能级C的光激发的再循环以及从能级C落下的原子在能级A和B之间的重新分布，最终导致在能级A上没有几个原子可供被激发到能级C，且几乎没有通过吸收单元的光吸收，因为原子都已积累在超精细结构能级B上。能级A上的原子被称为光抽运到了能级B。然而，如果给吸收单元施加铷跃迁频率的微波能量，就会发生超精细结构能级A和B之间的跃迁，使原子重新到达能级A，这些原子吸收光能并经过随后的跃迁而到达能级C，从而减少通过吸收单元的光量。

通过吸收单元的铷光入射到一光检测器上，后者产生与入射光强成正比的电流输出。该电流输出被伺服电路处理，以向一电压控制晶体振荡器（VCXO）提供控制电压;该电压控制晶体振荡器的输出倍增（并合成）至铷跃迁频率并提供用于引起超精细结构能级A和B之间的跃迁的微波能量。当该微波能量的频率对应于超精细结构跃迁频率（对Rb-87为6.834GHz），就会出现最大光吸收且光检测器的电流输出减小。然而，如果微波能量的频率不对应于超精细结构频率，则将有更多的光通过吸收单元而到达光检测器，这增加了其电流输出。因此，光检测器的电流输出可被用来提供一误差信号，以维持VCXO的输出频率（一般为5或10MHz，且它如上所述地被进行相乘和合成以产生铷原子的超精细结构跃迁频率），从而产生极端稳定的5或10MHz输出频率标准。

应注意的是，能级A实际上是具有相同能量的三个能级，且能级B实际上是具有相同能量但与能级A的原子相差超精细结构能级差的五个能级。在实际中，一个小的稳恒磁场（“C场”≈0.3高斯）被加到Rb-87原子上以使能级A发生细微的分离，并使能级B发生细微的分离。先有技术中已知，以适当的频率施加到包含Rb-87原子的吸收单元的微波能量，使得从量子数为（F＝2，M_F＝0）的单态B能级产生一个向量子数为（F＝1，M_F＝0）的单态A能级的6.834GHz的原子或“时钟”跃迁。

多年来，人们在改进物理设备方面进行了大量的努力，以在不改变其运行特性的情况下减小其总体的物理尺寸。