一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的装置及方法

摘要

本发明公布了一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的方法及装置，方法包括A、电流与微波耦合至激光管使其输出多色相干激光；B、周期性切换微波频率改变多色激光的频率分布，频率分布满足CPT共振时制备出CPT态原子，失谐时激光与原子没有作用，再次共振时已有的CPT原子与激光场进行Ramsey-CPT干涉；C、利用Ramsey-CPT干涉条纹作为微波鉴频信号实现原子钟。本发明输入激光器的微波频率周期性改变而功率保持不变，克服了周期性通断微波方案造成输入激光器功率突变，导致输出激光频率波动问题。因此，所获得的原子钟具有更优的性能。应用本方案可实现小型和微型原子钟。

说明书

技术领域

本发明涉及原子钟领域，具体涉及一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟 的装置，还涉及一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的方法。适用于小型 和微型原子钟的制造。

背景技术

被动型CPT原子钟由于具有可微型化的优势被广泛研究，目前已有商品化的 微型CPT原子钟。被动型CPT原子钟通常利用微波调制电流注入垂直腔面发射激 光器（VCSEL）产生相干双色光与原子的三能级系统相互作用，当两个入射光场 的频率等于原子的跃迁频率，且频率差等于原子基态两超精细能级的频率差，即 Raman共振时，两个单光子跃迁发生干涉，原子会被制备到相干叠加态，即CPT 态。常规CPT原子钟就是采用伴随CPT态的EIT信号作为微波鉴频信号而实现，这 种原子钟的频率稳定度在10^-11τ^-1/2水平。

通过Ramsey-CPT干涉可以获得线宽比CPT信号更窄的干涉条纹，将其作为微 波鉴频信号可以实现频率稳定度在10^-13τ^-1/2水平的原子钟。然而目前已经实施的 Ramsey-CPT原子钟方案其光学系统体积太大，不适合转化成实用的原子钟产品。 虽然已经出现通过微波周期性通断实现小型实用Ramsey-CPT原子钟方案，但是微 波通断导致输入VCSEL的微波功率在通断瞬间发生剧烈变化，造成VCSEL输出激 光波长在通断过程出现长时间振荡，降低了激光质量，因而所实现的原子钟的性 能有所变差。

通过周期性切换微波频率调制VCSEL实现的Ramsey-CPT原子钟，由于切换微波 频率时，可以通过调节切换之后输出的微波功率，避免了切换瞬间出现的VCSEL 输出激光波长振荡，克服了微波通断所造成的问题，因此能够获得性能更优的小 型Ramsey-CPT原子钟。通过该方案还可以实现芯片级的Ramsey-CPT原子钟。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题，提供一种切换微波频率实现 Ramsey-CPT原子钟的装置，该装置结构简单，相比采用微波通断实现的 Ramsey-CPT原子钟体积和功耗并没有增加，但性能更优。

本发明的目的还在于提供一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的方 法，能够获得信噪比更好的Ramsey-CPT信号，更适合实现高性能的芯片级原子 钟。

本发明的目的可通过下列技术方案实现：

一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的装置，

控制设备1、单刀双掷开关2、两台微波源（3、4）、电压转电流电路5、 Bias-Tee6、激光产生器7、原子吸收泡8、光检测装置9。控制设备1的信号输 出端分别与电压转电流电路5的输入端、单刀双掷开关2的控制端、第一微波源 和第二微波源的触发端相连，第一微波源和第二微波源的输出端分别与单刀双掷 开关2的两个输入端相连，Bias-Tee6的电流和微波输入端分别与电压转电流电 路5的输出端和单刀双掷开关2的输出端相连，Bias-Tee6的输出与激光产生器7 的输入相连，激光产生器7输出的激光经过原子吸收泡8之后入射至光检测装置 9，光检测装置9的输出与控制设备1的输入相连。其中：

控制设备：装有NI PCI-6220和NI PCI-4461数据采集模块的计算机。利用 NI PCI-4461采集光检测装置的输出信号并输出模拟信号至电压转电流电路，利 用NI PCI-6220输出数字信号至单刀双掷开关和第一微波源。

单刀双掷开关：Mini-Circuits的ZASWA-2-50DR+，用于切换耦合至VCSEL 的微波。

微波源（3、4）：两台Agilent的E8257D，微波源的输出频率叠加有2FSK 调制，微波源1扫描频率时触发信号来自于控制设备。第一微波源和第二微波源 的输出连接至单刀双掷开关的两个输入。

电压转电流电路：由于VCSEL的阻抗不是恒定不变，因此采用电流而不是 电压来驱动。控制设备输出的模拟信号经过电压转电流电路之后连接至VCSEL 的输入。如图6所示。

Bias-Tee：用于将电压转电流电路的输出和单刀双掷开关的输出耦合至 VCSEL。采用Mini-Circuits的ZNBT-60-1W+Bias-Tee。

激光产生器：包括U-L-M Photonics生产的单模795nm VCSEL和1/4玻片。 其中VCSEL包含一个热敏电阻和TEC，用于将VCSEL温度控制在40度附近。 如图7示。

原子吸收泡：包括样品泡、螺线管线圈和磁屏蔽桶。其中样品泡的长度和直 径分别为40mm和25mm。泡内的工作原子为⁸⁷Rb，同时充有总压力20Torr、比 例1:2的缓冲气体N2和CH4。样品泡表面贴有热敏电阻和功率管，用于将其温 度控制在65度附近。螺线管线圈为样品泡在沿光的传播方向上提供了B=24μT 磁场，为原子与光作用提供量子化轴。磁屏蔽桶屏蔽环境磁场对系统的干扰。如 图8所示。

光检测装置：由光电池构成，型号为Thorlabs的PDA36A。

一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的方法，其步骤是：

控制设备通过程序控制输出模拟电压，经过电压转电流电路输出稳定的电 流，将此电路作为电流源。第一微波源和第二微波源的输出连接到单刀双掷开关， 单刀双掷开关的控制信号由控制设备产生，其中设定第一微波源输出的微波频率 为Δf/2，第二微波源输出的微波频率为3GHz,，第一微波源和第二微波源输出的 微波功率分别为7dBm和3dBm，其中第一微波源的输出功率通过观测Doppler吸 收峰调节得到，第二微波源的输出功率通过观测切换瞬间光检信号的振荡时间调 节得到。电流源输出的电流与单刀双掷开关输出的微波通过直流偏置器件 Bias-Tee耦合，得到经过微波幅度调制的电流，将此电流作为VCSEL的输入。当 单刀双掷开关输出的微波来自于第一微波源的输出时，VCSEL发出多边带线偏 振光，其中心频率为电流源输出的电流单独作用VCSEL时VCSEL输出频率（f₀）， 边带间距为第一微波源的输出频率，边带幅度满足贝塞尔函数形式，选择调制指 数为1.6，使正负一级边带光功率最大。其中正负一级边带频率（f₀+Δf/2，f₀- Δf/2）近似对应图2中的由⁸⁷Rb原子的D1线构成的三能级系统中的单光子跃迁 频率（f₁，f₂），频率差与原子基态两超精细能级的频率差近似相等。当单刀双掷 开关输出的微波来自于第二微波源的输出时，VCSEL同样发出多边带线偏振光， 但是正负一级边带频率（f₀+3GHz，f₀-3GHz）已偏离单光子跃迁频率（f₁，f₂）， 此时原子不会被制备到CPT态,同时由于切换瞬间微波功率没有剧烈变化，激光波 长的振荡明显较小了。VCSEL输出激光偏振方向由λ/4波片调节以产生所需的 圆偏振激光。

圆偏振激光的正负一级边带构成的圆偏振双色激光与碱金属原子吸收泡相 互作用，通过光检测装置检测透射光强。控制设备通过程序对电流源的输出电流 扫描，从而改变VCSEL发出的圆偏振激光的中心频率（f₀），当单刀双掷开关输 出的微波来自于第一微波源的输出时，通过光检测装置得到碱金属原子对激光吸 收的多普勒吸收峰，如图3所示。扫描完成后，将电流源的输出电流固定在最大 吸收峰对应电流I₀处。为了能够将电流源的输出电流锁定在最大吸收峰对应的电 流I₀处，对该输出电流进行持续反馈，具体方法是在该输出电流上叠加一个 90nA-110nA的音频调制信号，同时对透射光强进行解调，得到多普勒吸收峰对 应的一次导数信号，如图3所示。依据此信号对电流输出进行连续反馈，当导数 信号小于零时意味着电流比I₀小，此时增加电流源的输出电流，当导数信号大于 零时意味着电流比I₀大，此时减小电流源的输出电流，通过这种方法使电流源的 输出电流始终对应于最大吸收峰处。

控制设备输出控制信号控制单刀双掷开关，使调制电流的微波频率在第一微 波源的输出和第二微波源的输出之间进行切换。单刀双掷开关的控制脉冲时序如 图4所示，其中τ₁和τ₂时间段开关连通第一微波源和VCSEL，T和T′时间段开 关连通微波源2和VCSEL。在τ₁内将原子制备到CPT态，在T内由于第二微波源 输出的频率偏离第一微波源输出的频率，VCSEL输出的圆偏振激光不与原子相 互作用，原子自由弛豫。如图4所示，探测脉冲周期为T₀，包括两个探测脉冲， 每个探测脉冲周期在τ₂刚开始的时间内探测透射光强的大小，探测脉冲长度为 τ_d。在每个探测脉冲周期最后安排了T′的消相干时间，用于消除一次探测周期 中两次CPT态制备的相干。一次探测周期对应两个探测脉冲周期。

控制设备控制第一微波源的输出进行2FSK调制，每个探测周期的第一个探 测脉冲周期微波频率叠加2FSK调制的高频部分，每个探测周期的第二个探测脉 冲周期微波频率叠加2FSK调制的低频部分，一个探测周期结束后，增加一次第 一微波源的输出频率。探测周期的第一个脉冲探测周期，采集τ₂刚开始的时间 内探测光强的大小，探测脉冲的长度为τ_d，在同一个探测周期的第二个脉冲探 测周期，同样采集τ₂开始的脉冲长度为τ_d的探测光强大小，分别将两次τ_d内 采集到的多个数据平均之后滤波，得到Ramsey-CPT信号，如图5，将两个探测 脉冲周期内获得的Ramsey-CPT信号相减，可以得到Ramsey-CPT信号的一次导 数。将第一微波源的输出频率锁定在Ramsey-CPT中心峰的峰值处，此时微波输 出频率精确等于碱金属原子基态两超精细能级差的一半。微波频率锁定之后，依 据Ramsey-CPT信号的一次导数的变化对微波频率进行反馈。通过对微波频率的 锁定和反馈，实现了原子钟稳定的频率输出。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明改进了之前利用微波周期性通-断调制VCSEL实现Ramsey-CPT 原子钟的发明专利，通过切换微波频率减小由于微波通-断造成微波功率变化引 起的VCSEL输出激光频率的振荡，得到信噪比更好的Ramsey-CPT信号，因而 能实现性能更好的原子钟。

2、相较目前常规的被动型CPT原子钟方案，本发明无需对物理系统作任何 光路上的改变，只需对伺服电路进行简单的调整，因而可以实现芯片级CPT原 子钟。

3、利用装有数据采集模块的计算机能将数据处理全部数字化和可视化，能 够以更高的灵活性更快地执行控制命令。

附图说明

图1为本发明装置原理示意图；

其中：1-控制设备，2-单刀双掷开关，3-第一微波源，4-第二微波源，5-电 压转电流电路，6-Bias-Tee（电流偏置器件），7-激光产生器，8-原子吸收泡，9- 光检测装置。

图2为碱金属原子的三能级结构图；

其中：|1>、|2>为碱金属原子基态超精细结构能级，|3>为碱金属原子激发态 能级，ω₁为|1>、|3>能级跃迁谱线，f₁对应跃迁频率，ω₂为|2>、|3>能级跃迁谱 线，f₂对应跃迁频率，f₀=(f₁+f₂)/2,Δf=f₁-f₂。

图3为⁸⁷Rb原子对795nm激光的Doppler吸收峰谱线及其一次导数。

图4包括控制设备对单刀双掷开关的控制时序、电流调制信号时序、微波调 制信号时序、数据采集时序和微波触发时序；

其中：T₀为单刀双掷开关控制信号周期，τ₁和τ₂为单刀双掷开关输出接通 第一微波源的持续时间，T＇和T单刀双掷开关输出接通微波源Ｂ的持续时间， τ_c和τ_d分别对应电流探测脉冲和微波探测脉冲，t为电流调制信号的大幅度和小 幅度持续时间，I_mod为电流调制信号的调制深度，f_mod为微波源Ａ的2FSK调制的 调制深度。

图5为利用微波频率切换实现的Ramsey-CPT信号；

图6为电压转电流电路的原理示意图；

其中：Vin为输入电压，Iout为转换之后的电流；

图7为激光产生器的原理示意图；

图8为原子吸收泡的结构示意图；

图9为本发明与周期性通断微波方案的光检信号在切换瞬间的振荡情况示 意图，反映了激光波长变化。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的装置，包括：

控制设备1、单刀双掷开关2、两台微波源（第一微波源3和第二微波源4）、 电压转电流电路5、Bias-Tee6、激光产生器7、原子吸收泡8、光检测装置9。 所述的控制设备1包括装有数据采集模块的计算机，计算机和数据采集模块通过 计算机的PCI接口相连。所述的激光产生器7包括带有热敏电阻和TEC的 VCSEL、1/4玻片和温控装置。所述的电压转电流电路5包括运算放大器OPA378、 精密电阻和精密电容。所述的原子吸收泡8包括样品泡、螺线管线圈、磁屏蔽桶 和温控装置。

如图所示：控制设备1的信号输出端分别与电压转电流电路5的输入端、单 刀双掷开关2的控制端、第一微波源3的触发端相连。控制设备1通过电压转 电流电路5产生供给VCSEL发光所需的电流，产生单刀双掷开关2的控制时序 和控制第一微波源3的输出。第一微波源3和第二微波源4的输出端分别与单 刀双掷开关的两个输入端相连，Bias-Tee6的电流和微波输入端分别与电压转电 流电路5的输出端和单刀双掷开关2的输出端相连。Bias-Tee6将产生的电流和 微波源输出的微波进行耦合，输出与激光产生器7的输入相连，激光产生器7 输出的激光经过原子吸收泡8之后入射至光检测装置9。光检测装置9探测经过 原子吸收泡8之后的激光光强（约为1.3mW/cm²），将光信号转换为电压信号。控 制设备1通过数据采集模块采集光检测装置9输出的电压信号进行数据处理。

一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的方法，包括以下步骤：

步骤1、对激光产生器7和原子吸收泡8进行温度控制，VCSEL的温度控 制在40度，原子吸收泡的温度控制在65度。给螺线管线圈通入2mA电流，为 样品泡在沿激光的传播方向上提供B=24μT磁场。

步骤2、对光路进行调整。打开控制设备1、第一微波源3、第二微波源4、 单刀双掷开关2、电压转电流电路5、光检测装置9。控制设备1通过数据采集 模块输出模拟电压，通过电压转电流电路5之后转换为电流，其中控制设备1 输出固定电压3.24V，电压转电流电路的比例是2.7V/mA，从而输出固定电流为 1.2mA。调节λ/4波片的角度，使激光通过λ/4波片后变为圆偏振光。

步骤3、控制设备输出控制信号控制单刀双掷开关，使调制电流的微波频率 在第一微波源的输出和第二微波源的输出之间进行切换。单刀双掷开关的控制脉 冲时序如图4所示，其中τ₁和τ₂时间段开关连通第一微波源和VCSEL，T和T′ 时间段开关连通第二微波源4和VCSEL。在τ₁内将原子制备到CPT态，在T内由 于第二微波源输出的频率偏离第一微波源输出的频率，VCSEL输出的圆偏振光 不与原子相互作用，原子自由弛豫。如图4所示，每个探测脉冲周期在τ₂刚开 始的时间内探测透射光强的大小，探测脉冲长度为τ_d。在每个探测脉冲周期最 后安排了T′的消相干时间，用于消除一个探测周期中两次CPT态制备的相干。一 次探测周期对应两个探测脉冲周期。

步骤4、设置第一微波源3输出频率为3.417GHz，输出功率为7dBm，第二 微波源4输出频率为3GHHz，输出功率通过观测切换瞬间光检信号的振荡时间 固定为3dBm。控制设备1输出控制时序（如图4所示）至单刀双掷开关2，并 使耦合至VCSEL的电流呈扫描模式，其中单刀双掷开关控制时序各时间长度T＇、 τ₁、T和τ₂依次为10ms，2ms，1ms和4.5ms，电流探测脉冲长度τ_c（图4所 示的τ_c）为2ms，对电流源输出的电流扫描，范围为0.9mA至1.5mA，电流调 制信号的大幅度和小幅度持续时间为2ms（图4所示的t），调制深度为100nA（图 4所示的I_mod）。控制设备1对时序进行同步控制，每个探测周期采集两次电流探 测脉冲长度τ_c对应的信号，将两次探测信号平均之后滤波可以得到Doppler吸收 峰，由于输出电流叠加了调制信号，将两次探测信号相减，可以得到Doppler吸 收峰的一次导数，如图3所示。通过Doppler吸收峰的一次导数将电流锁定在最 大吸收峰所处的位置，之后通过对电流进行持续反馈锁定电流。

步骤5、待电流锁定之后，设置第一微波源3输出为叠加2FSK调制的扫描 模式，其中2FSK调制的调制深度（图4所示的f_mod）为160Hz，一个微波调制 周期与单刀双掷开关2的两个控制时序周期相等并同步，微波频率的扫描范围为 3.4173385GHz-3.4173485GHz，扫描点数1000点，每个扫描点持续时间与一个 探测周期相等并同步控制设备1通过光检测装置采集前后两个0.1ms探测脉冲长 度（图4所示的τ_d）对应的信号，将两次采集数据平均之后滤波可以得到 Ramsey-CPT信号，如图5所示，同时第一微波源3的输出叠加有2FSK调制， 将两次采集数据求差可以得到Ramsey-CPT信号的微分信号。其中控制设备1的 数据采集速率为1MHz，分辨率为24位。

步骤6、根据Ramsey-CPT信号的微分信号，可以将第一微波源3的输出频 率锁定在Ramsey-CPT信号的最高点并进行持续反馈，此时第一微波源3的输出 频率精确对应⁸⁷Rb原子基态两超精细能级频率差的一半，至此原子钟实现闭环锁 定。

该方案实现的原子钟，克服了周期性通断微波方案造成输入激光器功率突 变，导致输出激光波长振荡问题。如图9所示，以每个探测脉冲周期的开始时间 为初始时间零，光检信号幅度在微波切换时瞬间的振荡状态，可知本方案在切换 瞬间光检信号没有产生较大的波动，而周期性通断微波方案在微波通断瞬间光检 信号的幅度发生了较大的波动。因此该方案解决了周期性通断微波方案造成的通 断瞬间激光波长振荡问题，能够实现性能更优的原子钟。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技 术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用 类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的 范围。