本发明提供了一种脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统，包括：脉冲拉曼光产生模块，产生脉冲拉曼光；原子气室模块，包括原子气室、磁场线圈和可调电流源；分别放置在原子气室的轴向光输入和输出位置的起偏器和检偏器，脉冲拉曼光经过起偏器入射到原子气室中，经过检偏器输出鉴频光信号；色散探测模块，探测鉴频光信号，得到频率误差信号和磁场强度误差信号，基于频率误差信号和磁场强度误差信号输出频率纠偏信号和磁场纠偏信号；频率伺服模块，根据频率纠偏信号改变调制脉冲拉曼光的微波频率；以及磁场伺服模块，根据磁场纠偏信号改变改变磁场强度，微波频率改变和磁场强度的改变循环进行，直到频率误差信号和磁场强度误差信号均变为零。
1.一种脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统，包括：脉冲拉曼光产生模块，产生脉冲拉曼光，调制该脉冲拉曼光的微波频率被方波调制为随时间在两个频率v1和v2之间跳变；
原子气室模块，包括原子气室、磁场线圈和可调电流源，其中：原子气室中充满原子共振频率为v0的原子气体，v1≤V0≤V2，可调电流源为磁场线圈提供磁场电流，磁场线圈围绕原子气室，为原子气室提供稳定的轴向磁场，轴向磁场的磁场强度被方波调制为随时间在两个场强B1和B2之间跳变，B1≤B0≤B2，B0是鉴频光信号幅度最大值对应的磁场强度；
分别放置在原子气室的轴向光输入和输出位置的起偏器和检偏器，脉冲拉曼光经过起偏器入射到原子气室中，穿过原子气室中的原子气体，然后经过检偏器输出鉴频光信号；
色散探测模块，探测鉴频光信号，基于鉴频光信号得到频率误差信号和磁场强度误差信号，并基于频率误差信号和磁场强度误差信号输出频率纠偏信号和磁场纠偏信号；
频率伺服模块，根据频率纠偏信号改变微波频率；以及磁场伺服模块，根据磁场纠偏信号改变可调电流源提供的磁场电流，以改变磁场强度，其中：微波频率改变和磁场强度的改变循环进行，直到频率误差信号和磁场强度误差信号均变为零。
脉冲拉曼光产生模块包括激光器、电光调制器、声光调制器、频率综合器和晶振；
激光器发射激光，频率综合器基于晶振的输出频率输出微波，该微波被输入到电光调制器，对激光进行相位调制，从而产生拉曼光，拉曼光通过声光调制器进行时域脉冲调制，输出脉冲拉曼光；以及频率伺服模块根据频率纠偏信号改变晶振的输出频率，以改变调制脉冲拉曼光的微波的频率。
色散探测模块包括光电探测器、模数转换器、运算器、以及PID模块；
在一个采样周期，模数转换器对该鉴频光信号进行四次采样，其中：在第一次采样时，微波频率为v1，磁场强度为B2；在第二次采样时，微波频率为v2，磁场强度为B2；在第三次采样时，微波频率为v1，磁场强度为B1；在第四次采样时，微波频率为v2，磁场强度为B1，得到采样值S1、S2、S3、S4；
PID模块根据频率误差信号输出频率纠偏信号，根据磁场强度误差信号输出磁场纠偏信号。
激光器是795nm激光器且原子气室是87Rb原子气室，或者激光器是894nm激光器且原子气室是133Cs原子气室；并且/或者脉冲拉曼光产生模块还包括稳频器，基于激光器的一部分输出光对激光器进行稳频。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，原子气室模块还包括：磁屏蔽桶，原子气室和磁场线圈放置在磁屏蔽桶中；和/或温度控制模块，将原子气室的温度维持在工作温度点。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，色散探测模块还包括数模转换器，分别将频率纠偏信号和磁场纠偏信号转换为相应的模拟信号。
脉冲拉曼光产生模块包括垂直腔面发射激光器、声光调制器、频率综合器和晶振；
垂直腔面发射激光器发射激光，频率综合器基于晶振的输出频率输出微波，该微波被输入到垂直腔面发射激光器，对激光进行相位调制，从而产生拉曼光，拉曼光通过声光调制器进行时域脉冲调制，输出脉冲拉曼光；以及频率伺服模块根据频率纠偏信号改变晶振的输出频率，以改变调制脉冲拉曼光的微波的频率。
一种脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统
技术领域
[0001] 本发明涉及原子钟领域，具体涉及一种脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统。
背景技术
[0002] 微波原子钟具有可靠性高和容易使用等优越性，在国防、民用、科研等各个领域有着不可或缺的重要应用。同时具有高性能和易搬运两个特性的微波原子钟一直是人们孜孜以求的目标。基于相干布局囚禁(Coherence Population Trapping，CPT)的微波原子钟是高性能和易搬运二者兼备的一种新型微波原子钟，它的基本原理是利用激光与原子的三能级系统相互作用代替了微波与原子的二能级系统相互作用，利用微波信号频率控制两束激光的频率差，当微波频率恰好等于原子基态的两个超精细能级间距时，会出现相干布局囚禁的现象，此时有最大透射峰。通过探测透射谱线，可以将微波频率锁定在原子基态超精细能级上，从而获得高精度的标准频率信号的输出。
[0003] 通常的CPT原子钟采用连续光与原子相互作用，其信号对比度和线宽相互制约，光功率提高固然可以增加信号对比度，但也会引起谱线的功率展宽，不利于频率稳定度的提高。通过脉冲光实现的脉冲CPT方案(Ramsey-CPT)可以解决这个矛盾，它采用了Ramsey时域分离振荡场技术，谱线的线宽取决于自由演化时间，与光强无关，这样在保持高对比度的情况下也能保持较窄的线宽；Ramsey技术的运用同时还减小了光频移，有利于原子钟中长期稳定性的提高。
[0004] 但是，在实际应用中，原子钟输出的标准频率信号容易受到外界环境的影响，其中磁场对标准频率信号的影响是制约CPT原子钟长期频率稳定度的一个重要方面。CPT原子钟都需要在原子气室上施加一个轴向磁场，为系统提供量子化轴，这个磁场通常被称为C场。同时，地磁场、光电探测器、电子元件和外部空间的电磁波等外部杂散磁场也会对原子系统产生影响，磁场大小的波动制约着输出的标准频率信号的稳定度。
[0005] 目前，CPT原子钟C场的控制主要采取两方面技术措施：第一，利用磁屏蔽罩，屏蔽地磁场及外部杂散磁场的影响；第二，利用高精度电流源驱动C场线圈产生轴向磁场，通常采用补偿措施提高磁场线圈电流的稳定度来降低磁场导致的原子钟频率漂移。
[0006] 在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：
[0007] 现有技术采用的磁屏蔽加稳定磁场线圈电流的方案的主要缺点是C场的长期稳定性较差。磁场的强度并不仅仅由磁场线圈电流决定，由于外界环境的变化，磁场线圈结构也会发生变化。同时，由于磁屏蔽的磁屏蔽系数有限，尤其是针对小型原子钟，受体积和重量的限制，磁屏蔽罩的性能都不是很高，另外，随着磁屏蔽罩的使用时间延长，磁屏蔽材料的导磁性能也会衰减变化，这些因素都会导致磁屏蔽罩内部的剩余磁场受外界磁场影响较大，长期稳定性下降。
发明内容
[0008] 本发明提供了一种脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统，包括：脉冲拉曼光产生模块，产生脉冲拉曼光，调制该脉冲拉曼光的微波频率被方波调制为随时间在两个频率v1和v2之间跳变；原子气室模块，包括原子气室、磁场线圈和可调电流源，其中：原子气室中充满共振频率为v0的原子气体，v1≤v0≤v2，可调电流源为磁场线圈提供磁场电流，磁场线圈围绕原子气室，为原子气室提供稳定的轴向磁场，轴向磁场的磁场强度被方波调制为随时间在两个场强B1和B2之间跳变，B1≤B0≤B2，B0是鉴频光信号幅度最大值对应的磁场强度；分别放置在原子气室的轴向光输入和输出位置的起偏器和检偏器，脉冲拉曼光经过起偏器入射到原子气室中，穿过原子气室中的原子气体，然后经过检偏器输出鉴频光信号；色散探测模块，探测鉴频光信号，基于鉴频光信号得到频率误差信号和磁场强度误差信号，并基于频率误差信号和磁场强度误差信号输出频率纠偏信号和磁场纠偏信号；频率伺服模块，根据频率纠偏信号改变微波频率；以及磁场伺服模块，根据磁场纠偏信号改变可调电流源提供的磁场电流，以改变磁场强度，其中：微波频率改变和磁场强度的改变循环进行，直到频率误差信号和磁场强度误差信号均变为零。
附图说明
[0009] 图1示意性示出了根据本发明实施例的脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统的框图。
[0010] 图2示意性示出了脉冲拉曼光产生模块的框图。
[0011] 图3示意性示出了原子气室模块的框图。
[0012] 图4示意性示出了色散探测模块的框图。
[0013] 图5A、5B和图6示意性示出了根据本发明实施例的脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统的工作过程。
具体实施方式
[0014] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0015] 图1示意性示出了根据本发明实施例的脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统1的框图。如图1所示，脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统1包括脉冲拉曼光产生模块
10、原子气室模块20、色散探测模块30、频率伺服模块40、磁场伺服模块50，以及在原子气室模块20的光输入位置和输出位置设置的一组正交的起偏器60和检偏器70。
[0016] 图2示意性示出了脉冲拉曼光产生模块10的框图。如图2所示，脉冲拉曼光产生模块10包括激光器11、电光调制器12、声光调制器13、频率综合器14、和晶振15。根据本发明的实施例，脉冲拉曼光产生模块10还可以包括稳频器16。根据本发明的实施例，激光器11例如是波长795nm激光器。激光器11发射激光并通过电光调制器12。频率综合器14基于晶振15的输出频率输出微波，该微波被输入到电光调制器12，对激光进行相位调制，从而产生拉曼光。随后，拉曼光通过声光调制器13进行时域脉冲调制，输出脉冲拉曼光。根据本发明的实施例，稳频器16可以使用激光器11输出的小部分激光对激光器进行频率稳定。
[0017] 图3示意性示出了原子气室模块20的框图。如图3所示，原子气室模块20包括原子气室21、磁场线圈22和可调电流源23。根据本发明的实施例，原子气室模块20还可以包括磁屏蔽桶24和温度控制模块25。
[0018] 根据本发明的实施例，原子气室21可以是87Rb原子气室，其中充满同位素增强的87Rb原子气体。围绕原子气室21设置磁场线圈22，其磁场电流由可调电流源23驱动，为原子气室提供稳定的轴向磁场。根据本发明的实施例，磁场线圈22可以包括一对亥姆霍兹线圈，可调电流源23可以是高精度可调电流源。根据本发明的实施例，原子气室21和磁场线圈22可以放置在磁屏蔽桶24中，以屏蔽地磁场等杂散磁场，保证原子钟输出信号的稳定性。磁屏蔽桶24的材料可以是坡莫合金。根据本发明的实施例，温度控制模块25可以和原子气室21一起放置在磁场线圈22中，用于将原子气室21的温度精确地维持在工作温度点。
[0019] 从脉冲拉曼光产生模块10输出的脉冲拉曼光经过起偏器60入射到原子气室21中，与87Rb原子发生相互作用，产生鉴频光信号。鉴频光信号经过检偏器70被色散探测模块30探测。
[0020] 图4示意性示出了色散探测模块30的框图。如图4所示，色散探测模块30包括光电探测器31、模数转换器(ADC)32、运算器33、PID(比例-积分-微分)模块34、以及数模转换器(DAC)35。原子气室模块20输出的鉴频光信号入射到光电探测器31后，被转换为模拟电压信号输出。为了便于数字处理，ADC 32将模拟电压信号转换为数字信号，运算器33根据该数字信号计算出误差信号。该误差信号输入到PID模块34产生纠偏信号。该纠偏信号经过DAC 35转换为模拟纠偏信号，输出到频率伺服模块40和磁场伺服模块50。
[0021] 频率伺服模块40根据纠偏模拟电压信号控制晶振15的频率，进而控制微波输出频率。
[0022] 磁场伺服模块50根据纠偏模拟电压信号控制可调电流源23的输出电流，进而控制磁场线圈22产生的磁场强度。
[0023] 下面参考图5A、5B和图6说明根据本发明实施例的脉冲式相干布局囚禁原子钟磁场伺服系统1的工作过程。
[0024] 当脉冲拉曼光产生模块10产生的脉冲拉曼光经过起偏器60入射原子气室21后，由于原子和脉冲拉曼光的相互作用，会产生相干布局囚禁的现象，透射光强随调制脉冲拉曼光的微波的频率而变化。频率综合器14为脉冲拉曼光产生模块10提供电光调制器12进行相位调制所需的微波。频率综合器14对微波的频率进行方波调制，使微波频率在两个频率v1和v2之间跳变，色散探测系统接受到的光强信号也随之改变，进而得到鉴频光信号，如图5A所示。在图5A中，纵轴I代表鉴频光信号的光强，横轴v代表微波频率，v0代表87Rb原子的共振频率点，横轴上方曲线代表鉴频光信号，横轴下方表示频率综合器14产生的微波频率随时间t在两个频率v1和v2之间跳变，v1≤v0≤v2。
[0025] 可调电流源23对磁场线圈22的磁场电流进行方波调制，使得磁场强度在两个数值B1和B2之间跳变，则色散探测模块30接收到的光鉴频信号幅度会随磁场的改变而发生相应改变，如图5B所示。在图5B中，纵轴I代表鉴频光信号的光强，横轴B代表磁场强度，B0代表鉴频光信号幅度最大值对应的磁场强度，横轴上方曲线代表鉴频光信号幅度随磁场的变化，横轴下方表示磁场强度随时间t在两个场强B1和B2之间跳变，B1≤B0≤B2。
[0026] 如果同时调制微波频率和磁场强度，则鉴频光信号同时受到微波频率和磁场强度的影响。例如，频率综合器14对微波频率进行方波调制，使得微波频率在两个频率v1和v2之间跳变，可调电流源23对磁场线圈22的磁场电流进行方波调制，使得磁场强度在两个数值B1和B2之间跳变。这样，鉴频光信号同时受到微波频率和磁场强度的影响。鉴频光信号经过检偏器70被色散探测模块30的光电探测器31探测并转换为电信号。如图6所示，根据本发明的实施例，在一个采样周期，ADC 32对该电信号依次进行四次采样，如下表1所示。
[0027] 表1
[0028]
[0029]
[0030] 如表1所示，在第一次采样时，微波频率为v1，磁场强度为B2；在第二次采样时，微波频率为v2，磁场强度为B2；在第三次采样时，微波频率为v1，磁场强度为B1；在第四次采样时，微波频率为v2，磁场强度为B1。经过四次采样后，得到采样值S1、S2、S3、S4，运算器33计算得到频率误差信号
[0031]
[0032] 和磁场强度误差信号
[0033]
[0034] PID模块34根据频率误差信号Ef得到频率纠偏信号，经由DAC 35转换为模拟频率纠偏信号并输出到频率伺服模块40以控制晶振15的输出频率，并进而控制频率综合器14调制的微波频率。另外，PID模块34根据磁场强度误差信号得到磁场纠偏信号，经由DAC 35转换为模拟磁场纠偏信号并将其输出到磁场伺服模块40，以控制可调电流源23的输出电流，并进而控制磁场线圈22的磁场强度。
[0035] 改变后的微波频率和磁场强度又会影响鉴频光信号的光强，色散探测模块探测到改变的鉴频光信号光强，并基于其产生新的频率纠偏信号和磁场纠偏信号。通过这样的循环反馈控制，最终使得频率误差信号和磁场强度误差信号均为零，实现了微波频率和磁场强度相对于原子共振频率的锁定。
[0036] 本领域技术人员可以理解，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
[0037] (1)可以用894nm激光器代替795nm激光器，用133Cs原子气室代替87Rb原子气室；
[0038] (2)拉曼光的产生可以用垂直腔面发射激光器(VESEL)代替激光器和电光调制器。
[0039] 本领域技术人员可以理解，虽然以上描述了各个模块的具体结构和部件，但每个模块可以被拆分为两个或更多个模块，或者两个或更多个模块可以组合为一个模块，可以从一个模块中去除一个或多个部件，并将去除的部件在其他模块中实现，只要其依照本发明的原理实现相同、等同或类似的功能，均应落入本发明的保护范围之内。
[0040] 本发明利用原子的鉴频信号，实现对磁场线圈电流进行高精度闭环控制，提高C场的长期稳定性。同时，该磁场控制技术方案对Ramsey-CPT原子钟改动小，系统结构简单，成本低，能够有效优化Ramsey-CPT原子钟的长期稳定度。
[0041] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
