一种缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围的方法

摘要

本发明涉及原子能级跃迁探测技术领域，公开了一种缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围的方法，包括：将纠偏电压发送给信号发生器；将基准电压发送给压控晶振器；信号发生器输出信号到原子钟的综合模块；压控晶振器输出信号到原子钟的微波倍混频模块；进行原子钟常规闭环锁定工作。本发明缩小了原子钟的原子能级跃迁动态探测的频率范围，从而提高了整个原子钟的原子能级跃迁动态探测的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及原子能级跃迁探测技术领域，主要适用于缩小原子钟的原 子能级跃迁动态探测频率范围的方法。

背景技术

在原子钟的实际应用中，压控晶振器将信号输出到综合模块和微波倍 混频模块；综合模块给接收到的信号加上一个小调频，再将微波调制信号 输出到微波倍混频模块和伺服模块；微波倍混频模块先对压控晶振器的输 出信号进行倍频，再将经过倍频的信号和由综合模块的输出的微波调制信 号进行混频，生成微波探测信号，将微波探测信号作用于原子共振跃迁模 块；透过原子共振跃迁模块的光照射到光电池上产生量子鉴频光电信号(外 接电阻并经过了电反相)。由光电池输出的量子鉴频光电信号的频率和照射 到它上面的光强成正比。当输入的微波探测信号频率正好等于原子基态超 精细跃迁频率时(f=f₀)，原子共振跃迁模块中的原子吸收光子最多，透射 光最弱，量子鉴频光电信号的频率最低。

当微波探测信号的中心频率高于原子基态超精细跃迁频率（f>f₀）时， 光电池的输出信号和微波调制信号同频同相，通过伺服模块进行同步鉴相 产生一个负的纠偏电压，并作用在压控晶振器上，使压控晶体振荡器输出 信号的频率降低；当微波探测信号的中心频率低于原子基态超精细跃迁频 率（f<f₀）时，光电池的输出信号和微波调制信号同频反相，通过伺服模 块进行同步鉴相产生一个正的纠偏电压，并作用在压控晶振器上，使压控 晶体振荡器输出信号的频率升高;当微波探测信号的中心频率等于原子基 态超精细跃迁频率（f＝f₀）时，光电池的输出信号的频率是微波调制信号 的频率的2倍，利用伺服模块的同步鉴相不产生纠偏电压，从而将压控晶 体振荡器的输出频率锁在原子基态的0－0跃迁共振点上。

但是，目前的原子能级跃迁动态探测的频率范围较大，因此，整个原 子钟的原子能级跃迁动态探测的精度较低，从而降低了原子钟的使用效率。 这将会对原子钟的一些特殊应用带来影响，如对精确制导、授时等带来较 大误差。

综上所述，设计出一种能够缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率 范围的方法是十分有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种缩小原子钟的原子能级跃迁动 态探测频率范围的方法，它能够缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测的频 率范围，从而提高整个原子钟的原子能级跃迁动态探测的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种缩小原子钟的原子能级跃迁 动态探测频率范围的方法，包括：

将纠偏电压发送给信号发生器；将基准电压发送给压控晶振器；

所述信号发生器输出信号到原子钟的综合模块；所述压控晶振器输出 信号到原子钟的微波倍混频模块；

进行原子钟常规闭环锁定工作。

进一步地，所述将纠偏电压发送给信号发生器，包括：原子钟的伺服 模块将所述纠偏电压发送给所述信号发生器。

进一步地，所述将基准电压发送给压控晶振器，包括：通过恒压源将 所述基准电压发送给所述压控晶振器。

进一步地，所述进行原子钟常规闭环锁定工作，包括：所述综合模块 将微波调制信号分别输出到原子钟的微波倍混频模块和伺服模块中；所述 微波倍混频模块先对所述压控晶振器的输出信号进行倍频，再将经倍频的 信号和接收到的微波调制信号进行混频，生成微波探测信号，再将所述微 波探测信号作用到原子钟的原子共振跃迁模块；所述原子共振跃迁模块接 收光源，并将输出信号输出到原子钟的光电池中；所述光电池接收到原子 共振跃迁模块的输出信号，将量子鉴频光电信号输出到所述伺服模块中； 伺服模块根据接收的微波调制信号和所述量子鉴频光电信号产生所述纠偏 电压，并将纠偏电压作用到所述信号发生器上。

进一步地，所述信号发生器的型号包括：安捷伦公司生产的33250A。

进一步地，所述恒压源的型号为源谷电子有限公司生产的 IPA16-30LA。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围的方法在 保持由压控晶振器输出到原子钟的微波倍混频模块的信号频率不变的前提 下，通过由原子钟的伺服模块输出的纠偏电压改变信号发生器的输出信号 的频率，即改变输入到原子钟的综合模块的信号频率；基于原子钟的综合 模块的信号频率的转换能力远小于微波倍混频模块的信号频率的转换能力 的特点，缩小了原子能级跃迁动态探测的频率范围，从而提高了整个原子 钟的原子能级跃迁动态探测的精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率 范围的方法的流程图。

图2为使用本发明实施例提供缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频 率范围的方法前后的原子能级跃迁动态探测频率范围的对照图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效， 以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的缩小原子钟的原子能级 跃迁动态探测频率范围的方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

由图1可知，本发明实施例提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探 测频率范围的方法包括：

原子钟的伺服模块将纠偏电压发送给信号发生器；并通过恒压源将基 准电压发送给压控晶振器；

信号发生器输出信号到原子钟的综合模块；压控晶振器输出信号到原 子钟的微波倍混频模块；

进行原子钟常规闭环锁定工作。具体的，综合模块将微波调制信号分 别输出到原子钟的微波倍混频模块和伺服模块中；微波倍混频模块先对压 控晶振器的输出信号进行倍频，再将经倍频的信号和接收到的微波调制信 号进行混频，生成微波探测信号，再将微波探测信号作用到原子钟的原子 共振跃迁模块；原子共振跃迁模块接收光源，并将输出信号输出到原子钟 的光电池中；光电池接收到原子共振跃迁模块的输出信号，将量子鉴频光 电信号输出到伺服模块中；伺服模块根据接收的微波调制信号和量子鉴频 光电信号产生纠偏电压，并将纠偏电压作用到信号发生器上。

在本实施例中，信号发生器的型号包括：安捷伦公司生产的33250A。 恒压源的型号为源谷电子有限公司生产的IPA16-30LA。

在对本发明实施例提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范 围的方法进行分析时，需要引入频率转换系数的概念。频率转换系数是输 出信号的频率和输入信号频率的比值，表示原子钟的功能模块对信号频率 的转换能力。例如：微波倍混频模块的输入信号的频率为10MHz，其输出 信号的频率为6840MHz，故微波倍混频模块的频率转换系数 A=6840/10=684。综合模块的输入信号的频率为10MHz，其输出信号的频率 为5.3125MHz，故综合模块的频率转换系数B=5.3125/10≈0.5。

基于本发明实施例提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范 围的方法的原子钟在工作时，首先按照原子钟的工艺需求设置微波倍混频 模块的输出信号的频率、综合模块的输出信号的频率和恒压源的输出信号 的频率，其中恒压源的输出信号的频率为基准信号频率，在本实施例中， 基准信号频率为10MHz；恒压源将基准信号输出到压控晶振器，使压控晶 振器输出固定频率ω1为10MHz的信号。压控晶振器输出的固定频率为ω1 的信号一路输出到信号发生器，用作信号发生器的外部时钟基准，因此， 信号发生器在压控晶振器输出的固定频率为ω1的信号的参考前提下，信号 发生器输出的频率为ω2的信号拥有和压控晶振器输出的固定频率为ω1的 信号一样的频率特性（如稳定性），即ω2=10MHz。信号发生器再输出频率 为ω2的信号至综合模块完成ω2*B的生成。压控晶振器同时输出另一路固 定频率为ω1的信号至微波倍混频模块，微波倍混频模块对接收到的固定频 率信号进行射频倍频和微波倍频，即完成ω1*A。综合模块对接收的频率为 ω2的信号施加一个小调频，生成微波调制信号，再将微波调制信号一路输 出至微波倍混频模块，另一路输出至原子钟的伺服模块。微波倍混频模块 将接收到的微波调制信号和经倍频的信号进行混频，生成微波探测信号F， 即完成F=ω1*A-ω2*B，并将微波探测信号作用在原子钟的原子共振跃迁模 块。原子共振跃迁模块在光源的作用下，经光电池获得相应的量子鉴频光 电信号，并将量子鉴频光电信号传送至伺服模块。伺服模块对接收到的量 子鉴频光电信号和微波调制信号进行同步鉴相，再输出相应的纠偏电压作 用于信号发生器。参照原子钟传统闭环锁定的工作原理，为实现原子能级 的动态探测，信号发生器输出信号的频率ω2的大小受纠偏电压控制，从而 使信号发生器输出信号的频率ω2发生变化，以进一步使微波探测信号F发 生变化，最终达到F=f₀的动态平衡，其中，f₀为原子能级跃迁频率。

由公式F=ω1*A-ω2*B可知，最终的微波探测信号F由ω1、ω2、A、B 决定，由于A、B和ω1都是固定不变的，变化的只有ω2，故变化的项是ω2*B， 这样就减小了F=ω1*A-ω2*B中A的贡献。在不考虑ω1存在漂移的情况下， 实现了整个微波探测信号F的探测精度只由综合模块的频率转换系数B决 定。由于原子钟必须将探测用的微波信号准确设定在原子钟所需的量级上， 故首先需要采用倍频将探测信号放大在这个量级上；其次需要采用混频， 将探测信号准确的设定在这个量级上，所以得出原子钟的微波倍混频模块 的频率转换系数A远大于原子钟的综合模块的频率转换系数B，这样就大 大缩小了原子能级跃迁动态探测的频率范围。如图2所示，F代表微波探测 信号频率,f₀代表原子基态超精细结构0-0跃迁的中心频率，V为光电池采集 获得的光强大小，ΔF_A为使用本发明前原子钟的原子能级跃迁动态探测频率 范围，ΔF_B为使用本发明后原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围，由图 2可知，使用本发明后原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围ΔF_B小于使 用本发明前原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围ΔF_A，因此本发明实施 例提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围的方法大大缩小了 原子能级跃迁动态探测的频率范围，从而提高了整个原子钟的原子能级跃 迁动态探测的精度。

本发明实施例提供的缩小原子钟的原子能级跃迁动态探测频率范围的 方法在保持由压控晶振器输出到原子钟的微波倍混频模块的信号频率不变 的前提下，通过由原子钟的伺服模块输出的纠偏电压改变信号发生器的输 出信号的频率，即改变输入到原子钟的综合模块的信号频率；基于原子钟 的综合模块的信号频率的转换能力远小于微波倍混频模块的信号频率的转 换能力的特点，缩小了原子能级跃迁动态探测的频率范围，从而提高了整 个原子钟的原子能级跃迁动态探测的精度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。