利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法

摘要

本发明涉及一种利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法。该方法包括，获取铯原子超精细Ramsey跃迁检测曲线；对跃迁检测曲线进行预处理；根据检测曲线中相邻两个π跃迁线之间的间距计算静磁场强度的值；利用所述静磁场强度的值，绘制理想情况Ramsey跃迁仿真曲线；基于理想情况Ramsey跃迁仿真曲线与所述跃迁检测曲线，确定影响铯原子Ramsey跃迁的多个影响因素的取值范围；在确定的各影响因素取值范围内，改变各影响因素的取值并绘制Ramsey跃迁仿真曲线，以使绘制的Ramsey跃迁仿真曲线逼近所述跃迁检测曲线；确定可表征所述跃迁检测曲线的各影响因素值，即得到铯原子钟频移因素的偏差。利用得到频移因素的偏差，可以对铯原子钟的频率准确度进行精准修正。

说明书

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法。

背景技术

铯原子钟的频率准确度和长期稳定度优异，在导航、通信和精密测量等领域有着广泛应用。铯原子钟是公认的一级时间频率标准，频率准确度是其最重要的指标之一。铯原子钟受到C场不均匀、腔相差、多普勒效应、频率牵引效应以及伺服电路不完善等的影响，其输出频率可能会偏离标准频率。因此需要对这些频移因素与理想情况的偏差进行准确计算，并利用它们对铯原子钟的频率准确度进行精准修正。

目前评估铯原子钟频移的主要方法是：利用工艺过程中的测量数据，结合理论公式进行分项独立评估。但在实际情况中，诸多频移因素之间相互影响，使用分项独立评估得到的频移因素偏差并不准确。例如，在确定腔相差频移时，一般通过测量微波腔两臂尺寸对称度进行估算，但在后续装配和焊接过程中，微波腔两臂会进一步发生形变且形变后的尺寸无法测量，导致腔相差频移估算不准确；在确定C场频移时，通常采用非0-0跃迁线的Rabi台和Ramsey峰的频差进行估算，然而相邻σ跃迁的牵引会导致Rabi台发生偏移，腔相差会使Ramsey峰发生偏移。这将导致C肠频移的估算不准确；此外，C场的取值也会影响π跃迁线之间的频率间距，导致σ跃迁频移估算不准确。可以看出，这些频移因素是彼此牵制、相互影响的。对任一频移因素进行分项独立估算都是不准确的。

综上所述，铯原子钟中各种频移因素融合在一起，单独考虑某个因素带来的偏差不足以进行全面综合的频移分析。需要提供一种综合考虑各种引起频移的因素对跃迁线形的影响、快速准确评估铯原子钟频移因素偏差的方法。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤

获取铯原子超精细Ramsey跃迁检测曲线；

对跃迁检测曲线进行预处理；

根据检测曲线中相邻两个π跃迁线之间的间距计算静磁场强度的值；

利用所述静磁场强度的值，绘制理想情况Ramsey跃迁仿真曲线；

基于理想情况Ramsey跃迁仿真曲线与所述跃迁检测曲线，确定影响铯原子Ramsey跃迁的多个影响因素的取值范围；

在确定的各影响因素取值范围内，改变各影响因素的取值并绘制Ramsey跃迁仿真曲线，以使绘制的Ramsey跃迁仿真曲线逼近所述跃迁检测曲线；

确定可表征所述跃迁检测曲线的各影响因素值，作为该铯原子钟频移因素的偏差。

优选地，所述基于理想情况Ramsey跃迁仿真曲线与所述跃迁检测曲线确定影响铯原子Ramsey跃迁的多个影响因素的取值范围，包括

根据检测曲线中每个超精细Ramsey跃迁关于中心跃迁频率的不对称，确定腔相差的取值范围；

根据检测曲线中每个超精细Ramsey跃迁的中心频率的偏移，确定平均磁场差值的取值范围；

根据检测曲线中的相邻σ跃迁，确定微波磁场与C场夹角的取值范围。

优选地，利用如下公式根据Ramsey跃迁检测曲线中相邻两个π跃迁线之间的间距计算静磁场强度H

其中，Δv为每两个相邻π跃迁曲线中心峰之间的频率间距，ΔW

优选地，绘制Ramsey跃迁仿真曲线的步骤包括

确定微波扫描频率的频率范围；

确定原子速率范围；

计算每个速率的原子在每个频率点的跃迁几率；

对所有速率的原子在每个频率点的跃迁几率进行加权并归一化处理，绘制Ramsey跃迁仿真曲线。

优选地，根据如下公式计算每个速率的原子在每个频率点的跃迁几率

其中，T是原子渡越漂移区的时间；τ是原子渡越每个相互作用区的时间；

对所有速率的原子在每个频率点的跃迁几率进行加权并归一化处理的表达式如下

其中，f(υ)是原子的速率分布。

优选地，理想情况下，仅存在π跃迁时，

其中，H

优选地，所述确定腔相差取值范围的步骤包括

根据所述检测曲线中心峰两侧谷底的电平高低，确定腔相差的正负；

根据所述检测曲线中心峰两侧谷底的电平差值大小，确定腔相差的取值范围。

优选地，所述确定相互作用区平均磁场与漂移区平均磁场差值的取值范围的步骤包括

根据所述检测曲线任一非0-0跃迁Ramsey峰相对所在Rabi台的偏移方向，确定互作用区平均磁场强度与漂移区平均磁场强度差值的正负；

根据所述检测曲线任一非0-0跃迁Ramsey峰相对所在Rabi台的频偏大小，确定差值范围。

优选地，在微波磁场与C场有夹角的情况下，存在相邻σ跃迁时，H

其中，

优选地，该方法进一步包括，对跃迁检测曲线进行预处理，去除跃迁检测曲线中由于声、光、电引起的噪声。

优选地，以光抽运铯原子钟为例，铯原子速率分布表示式为：

其中υ为铯原子速率，α为铯原子最可几速率。

根据本发明的利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法，可以对C场、多普勒效应、频率牵引效应、伺服电路不完善等引起频移的各种因素对跃迁线形的影响进行综合仿真模拟。通过对Ramsey跃迁实测曲线与理想跃迁的仿真曲线进行程序自动比较，确定导致跃迁实测曲线与理想情况跃迁仿真曲线之间偏差的各种因素的参数取值范围，在这些取值范围内进行取值并进行循环，最终得出仿真跃迁曲线与实测曲线最接近时的一组参数，用于对实验过程中引起跃迁频移的各因素的准确表征。利用得到频移因素的偏差，可以对铯原子钟的频率准确度进行精准修正。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

图1示出光抽运铯原子钟微波互作用系统结构图；

图2示出光抽运铯原子钟实例示意图；

图3示出图2所示实例得到的Ramsey跃迁检测曲线；

图4为对图3所示检测曲线经预处理后的跃迁检测曲线；

图5为根据本发明实例的理想情况Ramsey跃迁仿真曲线；

图6为根据本发明实例的

图7为根据本发明实例的

图8为根据本发明实例的表征跃迁检测曲线的跃迁仿真曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

下面以图2所示的光抽运铯原子钟为例，对根据本发明的利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法进行具体说明。

如图1和图2所示，光抽运铯原子钟包括用于维持整个实验装置的高真空度的小型离子泵。用于加热铯原子的温控电源对铯原子加热使铯原子以热束形式出射。微波相互作用系统包括微波腔、C场和磁屏蔽，微波腔为E面弯曲Ramsey型，C场由微波腔周围密绕通电线圈获得，在C场线圈周围安装磁屏蔽来消除环境磁场对C场的干扰。铯原子到达探测区后，发生超精细能级跃迁的原子被频率的激光探测并发出荧光信号，这些信号被收集并在光电检测装置中转换成电流信号，经电流-电压转换和放大后被输入示波器中。由于实际实验过程中存在各种噪声的干扰，并且实验不可能是在与理想情况完全一致的条件下进行，因此实测跃迁线形并不完美，如图6所示。

本发明提供了一种利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法。由于引起跃迁线形发生频移的因素有很多，下面以跃迁曲线也称为跃迁线形中存在腔相差

步骤1，获取实验得到的铯原子超精细Ramsey跃迁检测曲线。将实验测得的超精细能级跃迁曲线对应的实验数据进行预处理，例如对线形中的噪声进行平滑处理，去除跃迁曲线中由于声、光、电等引起的噪声。

步骤2，根据Ramsey跃迁检测曲线中相邻两个π跃迁线之间的间距求出静磁场强度H

根据ΔF＝±1，Δm

其中，v

ΔW

由上述公式，测量得到相邻两个π跃迁线中心峰之间的频率间距Δv，可以得到静磁场强度H

步骤3，利用步骤2得到的静磁场强度H

1)以9192631770Hz为中心，确定微波扫频的频率范围，通常为±200kHz。

2)确定原子速率范围，通常是0～800m/s。

3)计算每个速率的原子在每个频点的跃迁几率，计算公式为：

其中，T是原子渡越漂移区的时间；τ是原子渡越每个相互作用区的时间；

理想情况下，仅有π跃迁，此时b为：

其中，H

对所有速率的原子在每个频点的跃迁几率进行加权并归一化处理，表达式如下：

其中，f(υ)是原子的速率分布，该分布对Ramsey跃迁线形及线宽有影响。根据不同的铯原子钟类型，有着不同的原子速率分布。

上述步骤以计算机程序的方式运行后，即得到理想情况下的Ramsey跃迁仿真曲线。

步骤4，Ω

步骤5，将绘制得到理想Ramsey跃迁仿真线形与实测线形进行比较，例如利用计算机程序进行自动比较，得出相互作用区的平均磁场

步骤6，将绘制得到理想Ramsey跃迁仿真线形与实测线形进行比较，例如利用计算机程序进行自动比较，可以判断实测线形中是否存在σ跃迁。存在σ跃迁时，得出微波高频磁场与C场夹角θ的范围，这时有垂直于C场的微波磁场分量H

其中，

步骤7，对步骤4至步骤6过程中得到的各个参数范围进行多重计算机程序循环。将各参数变动时得到的仿真线形与实测线形进行程序自动比较。程序运行结束后，得到与实测线形最为接近的仿真跃迁曲线，并给出此时与理想情况存在偏差的一组参数。

根据本发明的利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法通过上述步骤来调节仿真模型中的各个参数，从而得到与实测线形基本一致的仿真线形，准确给出各个引起频移的因素与理想情况的偏差，对引起铯原子钟频移的各因素进行综合、全面和准确的程序仿真，可用于对实验过程中出现的铯原子钟频移进行精准的评估和修正，对铯原子钟频移的评估与修正有着重要的指导作用。

下面以图2所示的光抽运铯原子钟实验方案为例，对根据本发明的方法作进一步的说明。

扫描微波频率，在示波器上观察到图3所示的根据本发明实例的Ramsey跃迁检测曲线。进行实验时，测得的超精细能级跃迁曲线由于融合了各种频移因素，因此铯原子钟实测Ramsey跃迁曲线的线形较为复杂，难以判断具体是哪个因素偏差引起的线形不完美。采用本发明的方法，通过调整仿真模型中的对应于影响因素的各个参数的取值，使得模拟绘制得到的跃迁仿真线形与跃迁实测线形最为接近，准确得到每种频移因素与理想情况的具体偏差值，由此对实测线形不完美的原因做出准确判断，有助于后续实验设计过程中对频移因素的修正。

由图3可以看出，这组实测跃迁线形中存在许多由光、电、原子等因素引起的噪声。首先对跃迁检测线形进行预处理，例如对线形中的噪声进行平滑处理，并且将坐标轴进行单位换算与理论仿真模型保持一致，得到图4所示平滑噪声后的实测线形，其中左上角局部放大图是m

例如由计算机求得该曲线相邻两个π跃迁线之间的间距，可以得到此时的HC＝0.056高斯。当跃迁曲线中存在σ跃迁时，由图4可以明显看出此时相邻σ跃迁曲线之间的重叠情况较为明显。

然后，利用得到的静磁场强度H

以光抽运铯原子钟为例，理想情况下，应用本发明所提供的跃迁曲线绘制方法得到的铯原子超精细能级m

对图5所示H

当存在C场不均匀时，每个跃迁检测曲线的Ramsey峰和Rabi台的频率不重合，发生明显的偏移。C场的不均匀是由于相互作用区的平均磁场

存在相邻σ跃迁时，H

在上述三种因素与理想情况的偏差范围内，通过调节各个影响因素的取值，绘制Ramsey跃迁仿真曲线并与处理后的跃迁检测曲线进行比较，计算机经过多重循环比较，可得出与跃迁检测线形最为接近的跃迁仿真线形，如图8所示，并且得出一组表征与理想情况的偏差的影响因素值。对于图3所示跃迁检测曲线的实例，当微波高频磁场与C场的夹角为13°，即平行于C场的微波磁场分量H

本发明借助实例具体说明的方法虽然是以光抽运铯束频标为例提出，以影响因素是腔相差、平均磁场差值和微波磁场与C场夹角进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，根据本发明的方法同样适应于磁选态铯原子钟中的原子超精细能级跃迁检测曲线的分析，同样适用于包括所举实例的多个影响因素偏差的分析。对于磁选态铯束频标，探测到的原子速率受选态磁场及束光学的影响较大，可将磁选态铯原子钟中实际计算或实验测试得到的速率分布代入式(5)进行计算。

本发明给出了一套利用铯原子Ramsey跃迁模型评估铯原子钟频移因素偏差的方法，该方法不但能够对理想情况下的跃迁线形进行仿真模拟，并且通过将实测线形与理想情况下的仿真线形进行自动比较，对引起跃迁线形频移的各个因素进行仿真绘制，得到与实测线形最为接近的仿真线形并给出每种因素与理想情况的具体偏差数值，对铯原子钟频率准确度的精确修正有着重要的指导意义。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。