專利名稱：相干布局數囚禁原子鐘及其實現方法
技術領域：
本發明涉及原子鐘與頻率標準技術領域，尤其涉及一種相干布局數囚禁 (Coherent Population Trapping，簡稱CPT)原子鐘及其實現方法。
背景技術：
CPT原子鐘是基于兩束頻差等于原子的鐘躍遷頻率的相干激光與三能級原子相互作用時由于CPT而形成的相干暗態的窄線寬譜和相干微波輻射所實現的原子鐘。目前國際上的CPT原子鐘所用的激光器都是半導體激光器，尤其是可以高頻調制的垂直腔表面發射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，簡稱 VCSEL)。通常，半導體激光器或VCSEL有幾個納米的增益帶寬，在原子鐘長期工作過程中，半導體激光器或VCSEL的頻率會漂移，從而影響原子鐘的精度和可靠性。另外，為了提高CPT原子鐘的信噪比，需要讓原子氣泡工作在較高溫度下，而VCSEL工作在較高溫度下時，壽命會變短， 從而導致CPT原子鐘的壽命變短。
發明內容
本發明提供一種CPT原子鐘及其實現方法，用以提高現有技術中CPT原子鐘的精度和可靠性，解決CPT原子鐘壽命短的問題。本發明提供了一種CPT原子鐘實現方法，包括將堿金屬氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦， 實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光；對所述堿金屬氣體激光進行處理，經過鎖相獲得雙頻激光，或者經過調制獲得η 頻激光，η為大于或等于2的自然數；采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，根據所述經過鎖相獲得的雙頻激光，或者經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬原子氣泡進行激光抽運產生的信號生成標準頻率的信號。本發明還提供了一種CPT原子鐘，包括堿金屬氣體激光器，用于將堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光；堿金屬原子氣泡；激光獲取裝置，用于對所述堿金屬氣體激光經過鎖相獲得雙頻激光，或者用于對所述堿金屬氣體經過調制獲得η頻激光，η為大于或等于2的自然數；信號生成裝置，用于根據將經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬原子氣泡進行抽運產生的信號生成標準頻率的信號。本發明提供的CPT原子鐘及其實現方法，采用堿金屬激光作為CPT原子鐘的激光光源，該堿金屬激光采用堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源，對堿金屬氣體無極燈發射的光源進行濾光即可滿足為了達到布局數反轉要求的一種或幾種不同波長的泵浦需求，確保了泵浦光源的頻率穩定性和泵浦效率，無需對泵浦光源的波長或頻率進行穩頻控制，因此泵浦光源能夠長期連續工作，從而增強了堿金屬激光的頻率的穩定性，提高了 CPT原子鐘的精度和可靠性。另外，本發明中作為增益介質的堿金屬氣體壽命長，即使工作在較高溫度下，堿金屬激光器的壽命也可以達到二十年，相對于現有技術，增加了 CPT原子鐘的壽命。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為本發明CPT原子鐘實現方法的流程圖；圖2所示為本發明各實施例中涉及到的堿金屬氣體原子能級示意圖；圖3所示為本發明各實施例中涉及到的銣原子能級結構示意圖；圖4所示為本發明CPT原子鐘的結構示意圖；圖5所示為本發明CPT原子鐘實施例一的結構示意圖；圖6所示為本發明CPT原子鐘實施例二的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。如圖1所示為本發明CPT原子鐘實現方法的流程圖，包括步驟101、將堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光。本發明中，堿金屬可以包括鋰、銫、銣、鉀、鈉等。步驟102、對堿金屬氣體激光進行處理，經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光，η為大于或等于2的自然數。步驟103、采用經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，根據經過鎖相獲得的雙頻激光，或者經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬元氣氣泡進行激光抽運產生的信號生成標準頻率的信號。步驟101具體可以包括步驟1011采用堿金屬氣體無極燈產生在第一激發態到基態之間躍遷譜線所發泵浦光泵浦氣室中的堿金屬氣體原子，以使氣室中的堿金屬氣體原子躍遷到所述第一激發態，其中，堿金屬氣體無極燈中所充堿金屬氣體與氣室中的堿金屬氣體種類相同。例如用銫無極燈泵浦銫氣體原子，或用銣無極燈泵浦銣氣體原子。如圖2所示為本發明各實施例中涉及到的堿金屬氣體原子能級示意圖，采用堿金屬氣體無極燈產生在激發態np 2Pv2到基態ns %1/2之間躍遷譜線所發泵浦光將堿金屬氣體原子激發到激發態np 2P3/2 ；或者采用堿金屬氣體無極燈產生在激發態np 2Pv2到基態ns%1/2之間躍遷譜線所發泵浦光將堿金屬氣體原子激發到激發態np 2P172 ；或者采用堿金屬氣體無極燈產生在激發態(n+l)p 2Pv2到基態ns 之間躍遷譜線所發泵浦光將堿金屬氣體原子激發到激發態(n+l)p 2P372 ；或者采用堿金屬氣體無極燈產生在激發態(n+1) P2Pv2 到基態ns %1/2之間躍遷譜線所發泵浦光將堿金屬氣體原子激發到激發態(n+l)P 2P1/2。步驟1012、通過氣室中混合的其他氣體原子和/或氣體分子與氣室中的堿金屬氣體原子的碰撞作用，氣室中的堿金屬氣體原子從第一激發態遷移至與第一激發態相近的第二激發態，形成第二激發態與基態之間的布局數反轉。結合圖2所示，氣室中的堿金屬氣體原子從第一激發態遷移至與所述第一激發態相近的第二激發態，形成第二激發態與基態之間的布局數反轉具體可以是激發態np 2P372 的堿金屬氣體原子轉移到激發態np 2P1/2，從而形成激發態np 2P1/2與基態ns 之間的布局數反轉；或者激發態np 2Pv2的堿金屬氣體原子轉移到激發態np 2Pv2，從而形成激發態np 2Pv2與基態ns 之間的布局數反轉；或者激發態(n+l)p 2P3/2的堿金屬氣體原子轉移到激發態(n+l)p 2P1/2，從而形成激發態(n+l)p 2P1/2與基態ns %1/2之間的布局數反轉；或者激發態(n+l)p 2P172的堿金屬氣體原子轉移到激發態(n+l)p2P3/2，從而形成激發態 (n+l)p 2Pv2與基態ns 之間的布局數反轉。本發明實施例中，步驟1012中為了形成激發態np 2Pv2與基態ns %1/2之間的布局數反轉，或形成激發態(n+l)p 2Pv2與基態ns %1/2之間的布局數反轉，需要調節所采用堿金屬氣體無極燈產生在激發態np 2P1/2或(n+l)p2P1/2到基態ns 之間躍遷譜線所發泵浦光中的各不同成分譜線強度。對于銫原子，可以將銫氣體無極燈中的基態6s 的原子總角動量F = 3或F = 4對應譜線成分的光濾除。對于原子量為87的銣原子，可以將銫氣體無極燈中的基態k 2S172的F = 1或F = 2對應譜線成分的光濾除。步驟1013、在氣室所處的諧振腔的反饋作用下，輸出第二激發態到基態之間躍遷譜線對應頻率的堿金屬氣體激光。結合圖2所示，頻率分別對應激發態np 2Pv2到基態ns 之間躍遷譜線、或激發態np 2Pv2到基態ns 之間躍遷譜線、或激發態(n+l)p 2Pv2到基態ns %1/2之間躍遷譜線、或激發態(n+l)p 2Pv2到基態ns %1/2之間躍遷譜線。在本發明實施例中，處于諧振腔內的氣室中的堿金屬氣體原子和混合的其他氣體原子和/或氣體分子統稱為增益介質，下文中有類似描述將不再具體聲明。其中，混合的其他氣體原子和/或氣體分子包括猝滅氣體如乙烷或氦的原子或分子和緩沖氣體(如氬、氪、 氙等)的原子或分子。在圖1所示的方法中，還可以通過控制激光器的諧振腔的Q值，使腔模線寬小于或大于激光增益線寬，從而調節輸出激光的線寬；還可以控制激光器的諧振腔的長度，以調節輸出激光的輸出頻率。另外，由于增益介質是氣體，氣體的原子之間的相互作用較小，且激光器的諧振腔較長，輸出激光的線寬將明顯窄于普通的半導體激光器輸出的激光的線寬。需要說明的是，在本發明各實施例中所稱的“第一激發態”和“與第一激發態相近的第二激發態”，是為了描述方便對兩個相鄰近的激發態的命名上的區分。即在本發明實施例中，如果第一激發態是(n+l)p 2P1/2，那么第二激發態即為(n+l)p 2P3/2 ；如果第一激發態是np 2Pv2，那么第二激發態即為np 2P1/2。步驟102可以包括采用電光調制器對堿金屬氣體激光調制后獲得η頻激光。具體地，可以采用石英晶振和頻率綜合器提供頻率等于原子鐘躍遷頻率的電信號，該電信號驅動電光調制器調制器堿金屬氣體激光，獲得η個頻率的、相干的且帶旁頻的激光。其中， 兩個頻率的激光的頻率差可以等于堿金屬原子的鐘躍遷頻率。以銣87原子為例，鐘躍遷頻率是6. 834GHz，可以用有石英晶振和頻率綜合器提供的頻率為3.417GHz的電信號調制電光調制器，用電光調制器調制堿金屬氣體激光，從而得到對應的旁頻，得到的旁頻包括頻率差等于鐘躍遷頻率是6. 834GHz的兩個頻率的激光。以堿金屬是銣為例，如圖3所示為本發明各實施例中涉及到的銣原子能級結構示意圖，激光的兩個頻率分別對應于銣原子的k 2S172F = 1態到5p 2P172F = 1態的躍遷頻率和k 2S172F = 2態到5p 2P172F = 1態的躍遷頻率。或者，激光的兩個頻率分別對應于銣原子的5s 2S172F = 1態到5p 2P172F = 2態的躍遷頻率和5s 2S172F = 2態到5p 2P172F = 2態的躍遷頻率。或者，步驟102可以對堿金屬氣體激光進行雙模鎖相后獲得雙頻激光。例如，可以采用激光技術領域中的鎖相技術進行雙模鎖相后獲得雙頻激光。雙頻激光的頻率差可以由快速光電檢測器測量，雙頻激光的頻率差可以由激光諧振腔的腔長控制。步驟103中，用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，堿金屬原子基態的兩個鐘躍遷子能級被兩個相干激光場耦合作用下，堿金屬原子被相干地囚禁在兩個子能級組成的量子暗態里，不再吸收光子。CPT原子鐘可以包括主動型CPT原子鐘和被動型CPT原子鐘。對于主動型CPT原子鐘，堿金屬原子氣泡設置在微波腔中，堿金屬原子氣泡中充有所需的緩沖氣體，堿金屬原子氣泡還可以設置在直流磁場(本領域中通常稱作C場)中，堿金屬氣體原子氣泡還外圍還可以設置磁屏蔽和溫度控制裝置，處于相干布局數囚禁態時的堿金屬原子在微波腔的耦合作用下輸出作為相干激射的微波。對于主動型CPT原子鐘，步驟103可以包括采用經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對設置在微波腔中的堿金屬原子氣泡進行抽運，產生微波信號；將采用經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對設置在微波腔中的堿金屬原子氣泡進行抽運產生的微波信號與微波源的微波信號相比較，產生誤差信號；根據誤差信號產生控制信號，將控制信號發送給晶振，使得晶振生成標準頻率的信號，并根據晶振生成的標準頻率的信號生成用于驅動電光調制器的信號。對于被動型CPT原子鐘，堿金屬原子氣泡不需要設置在微波腔中，經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光直接對堿金屬原子氣泡進行抽運產生光信號。對于被動型CPT原子鐘，步驟103可以包括采用經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運，產生光信號；采用光電探測器接收經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運所產生的光信號，并將接收到的光信號轉換成電信號；根據光電探測器轉換成的電信號生成控制信號， 將控制信號發送給晶振，使得晶振生成標準頻率的信號，并根據晶振生成的標準頻率的信號生成用于驅動所述電光調制器的信號。本實施例提供的CPT原子鐘實現方法，采用堿金屬激光作為CPT原子鐘的激光光源，該堿金屬激光采用堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源，對堿金屬氣體無極燈發射的光源進行率光即可滿足為了達到布局數反轉要求的一種或幾種不同波長的泵浦需求，確保了泵浦光源的頻率穩定性和泵浦效率，無需對泵浦光源的波長或頻率進行穩頻控制，因此泵浦光源能夠長期連續工作，從而增強了堿金屬激光的頻率的穩定性，提高了 CPT原子鐘的精度和可靠性。另外，本發明中作為增益介質的堿金屬氣體壽命長，即使工作在較高溫度下， 堿金屬激光器的壽命也可以達到二十年，相對于現有技術，增加了 CPT原子鐘的壽命。如圖4所示為本發明CPT原子鐘的結構示意圖，該CPT原子鐘包括堿金屬氣體激光器11、堿金屬原子氣泡12、激光獲取裝置13和信號生成裝置14。堿金屬氣體激光器11 用于將堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光。堿金屬原子氣泡12可以是一個玻璃做成的充有堿金屬氣體的氣泡。激光獲取裝置13用于對堿金屬氣體激光器11形成的堿金屬氣體激光經過鎖相獲得雙頻激光，或者用于對堿金屬氣體經過調制獲得η頻激光。信號生成裝置用于將經過鎖相獲得的雙頻激光，或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運產生的信號生成標準頻率的信號。其中，堿金屬氣體激光器可以包括依次設置的堿金屬氣體無極燈111、濾光裝置 112和聚焦透鏡113，用于產生在第一激發態到基態之間躍遷譜線的泵浦光源。還包括帶壓電陶瓷114的激光諧振腔，該激光諧振腔的一端靠近聚焦透鏡113 —側設置有激光高反泵浦光透射鏡115，激光諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷114 一側設置有耦合透鏡116。還包括設置于激光諧振腔內的氣室117，氣室117內充有與堿金屬氣體無極燈111內相同的堿金屬氣體，并混合有用于與氣室117內的堿金屬氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣體分子， 形成堿金屬氣體激光。其中，激光獲取裝置可以為電光調制器或者雙模鎖相裝置。如圖5所示為本發明CPT原子鐘實施例一的結構示意圖，該CPT原子鐘是一種主動型的CPT原子鐘，該實施例提供的CPT原子鐘在如圖4所示的CPT原子鐘的基礎上，還包括隔離器15、分光鏡16、反射鏡17、四分之一波片18和堿金屬原子譜穩頻系統22，信號生成裝置包括設置在堿金屬原子氣泡12外部的微波腔141、微波源142、第一控制模塊143和晶振144。隔離器15和分光鏡16依次設置在壓電陶瓷114和激光獲取裝置之間，本實施例中激光獲取裝置是電光調制器23，從分光鏡16分出的一路光信號輸入到堿金屬原子譜穩頻系統22，堿金屬原子譜穩頻系統22輸出信號給壓電陶瓷114，通過壓電陶瓷114控制諧振腔的腔長，從而穩定激光諧振腔輸出的激光的頻率。反射鏡17和四分之一波片18依次設置在電光調制器23和微波腔141之間。堿金屬原子氣泡12設置在微波腔141內部。其中，微波源142用于根據晶振144生成的標準頻率的信號生成用于驅動電光調制器23的信號。第一控制模塊143用于將微波腔141輸出的微波信號與微波源142輸出的微波信號相比較，產生誤差信號，并根據誤差信號產生控制信號，將控制信號發送給晶振144，使得晶振 144產生標準頻率的信號。圖5中，微波腔141的外部還可以設置有C場線圈對、溫度控制裝置25和磁屏蔽裝置26。該主動型CPT原子鐘的工作原理為堿金屬氣體無極燈111產生發出的光經過濾光裝置112和聚焦透鏡113后產生第一激發態到基態之間的躍遷譜線的泵浦光源，該泵浦光源與激光諧振腔內氣室117中的增益介質相互作用，形成堿金屬激光。氣室117的兩個玻璃端面可以鍍上增透膜來減低泵浦光源和激光的損耗。以堿金屬是銣為例，經過濾光后的780. Onm的仏譜線作為泵浦光源，銣原子氣泡被泵浦光源激發到仏譜線的激發態，即5p 2P372態，通過氣室117中混雜的乙烷和氦氣作用，這些被激發到A譜線的激發態的原子轉移到5p 2P172態，也就是D1譜線的激發態，形成了 D1譜線的激發態與基態之間的原子布局數反轉。在激光諧振腔的反饋下，形成794. 8nm波長附近的D1譜線的激光輸出，通過激光諧振腔腔長的調節將激光頻率在銣原子譜上鎖定在D1譜線中的& %1/2，F= 1能級到5p 2P172, F' =2能級對應的頻率上。堿金屬激光通過隔離器15和分光鏡16，一部分激光輸入到電光調制器23，一部分激光輸入到堿金屬原子譜穩頻系統22。堿金屬原子譜穩頻系統22根據輸入的激光產生壓電陶瓷控制信號，壓電陶瓷控制信號發送給壓電陶瓷114，通過壓電陶瓷114可以控制激光諧振腔的腔長，從而控制輸出的堿金屬激光的頻率。電光調制器23對輸入的激光進行調制后產生η頻激光，激光經過反射鏡17和四分之一波片18后形成圓偏振光。圓偏振光對堿金屬原子氣泡12進行抽運，微波腔141將圓偏振光對堿金屬原子氣泡12進行抽運產生的信號反射，形成駐波，輸出相干微波信號。第一控制模塊143將微波腔141輸出的微波信號與微波源142輸出的微波信號相比較，產生誤差信號，并根據誤差信號產生控制信號，將控制信號發送給晶振144，使得晶振產生標準頻率的信號。另外，微波源142根據晶振144生成的標準頻率的信號生成用于驅動電光調制器23的信號。從圖5中可以看出，第一控制模塊143通過生成誤差信號控制晶振144產生的信號的頻率，而誤差信號的產生依賴于微波源生成的微波信號和電光調制器23產生的η頻激光與堿金屬原子氣泡的相互作用產生的信號形成的微波信號，也就是說誤差信號的產生依賴于微波源的微波信號和電光調制器生成的激光的頻率，這實際上是形成了一個閉環控制，使得晶振輸出的信號能夠穩定在標準頻率。如圖6所示為本發明CPT原子鐘實施例二的結構示意圖，該CPT原子鐘是一種被動型的CPT原子鐘，該CPT原子鐘的信號生成裝置14包括光電探測器145、微波源142、第二控制模塊146和晶振144。其中，光電探測器145用于將η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運產生的光信號轉換成電信號。第二控制模塊146用于根據光電探測器145轉換成的電信號生成控制信號，將控制信號發送給晶振144，使得晶振144生成標準頻率的信號。圖6所示的CPT原子鐘與圖5所示的CPT原子鐘的主要區別之處在于圖6中，不包括微波腔141，而圖5中，信號生成裝置包括微波腔141。圖6中包括光電探測器145，第二控制模塊146根據光電探測器145生成的電信號產生控制信號；而圖5中，不包括光電探測器145，第一控制模塊143根據微波源142和微波腔141生成的誤差信號來生成控制信號。該被動型CPT原子鐘與主動型CPT原子鐘產生激光的工作原理基本相同，區別之處在于被動型CPT原子鐘與主動型CPT原子鐘調整輸出的標準頻率的原理不同。被動型CPT原子鐘沒有微波腔141，采用η頻激光對堿金屬原子氣泡12進行抽運產生的光信號經過光電探測器145后轉換成電信號，第二控制模塊146根據光電探測器145 轉換成的電信號生成控制信號，將控制信號發送給晶振，使得晶振生成標準頻率的信號。另外，微波源142根據晶振144生成的標準頻率的信號生成用于驅動電光調制器23的信號。
在被動型CPT原子鐘中，光電探測器145探測到實際上是一種熒光譜線信號，包括共振暗線或透射光的亮線信號，被檢測的熒光譜線信號與鐘躍遷頻率失諧有關，第二控制模塊146根據這種熒光譜線信號生成控制信號。圖6中，一旦光電探測器探測到的信號發生偏差，則第二控制模塊可以控制晶振輸出的頻率，并且根據晶振輸出的信號可以控制電光調制器生成的η頻激光的頻率，進而使得光電探測器探測到的信號趨近于目標信號，實際上也是形成了一種閉環控制。被動型CPT原子鐘由于不需要微波腔，因此整體的結構可以小型化和微型化，結合微電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS)，可以制成芯片型的 CPT原子鐘。圖5和圖6中是以激光獲取裝置是電光調制器為例來介紹，如果激光獲取裝置是雙模鎖相裝置，則也可以根據雙頻激光與堿金屬原子氣泡相互作用產生的信號作為反饋信號來控制雙模鎖相裝置輸出的雙頻的激光的頻率。具體地可以采用一些控制技術實現。本發明提供的CPT原子鐘，采用堿金屬激光作為CPT原子鐘的激光光源，該堿金屬激光采用堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源，對堿金屬氣體無極燈發射的光源進行濾光即可滿足為了達到布局數反轉要求的一種或幾種不同波長的泵浦需求，確保了泵浦光源的頻率穩定性和泵浦效率，無需對泵浦光源的波長或頻率進行穩頻控制，因此泵浦光源能夠長期連續工作，從而增強了堿金屬激光的頻率的穩定性。另外，本發明中作為增益介質的堿金屬氣體壽命長，即使工作在較高溫度下，堿金屬激光器的壽命也可以達到二十年，相對于現有技術，增加了 CPT原子鐘的壽命，提高了 CPT原子鐘的精度和可靠性。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種相干布局數囚禁原子鐘實現方法，其特征在于，包括將堿金屬氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光；對所述堿金屬氣體激光進行處理，經過鎖相獲得雙頻激光，或者經過調制獲得η頻激光，η為大于或等于2的自然數；采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，根據經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬原子氣泡進行激光抽運產生的信號生成標準頻率的信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將堿金屬氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光，包括采用堿金屬氣體無極燈產生在第一激發態到基態之間躍遷譜線所發泵浦光泵浦氣室中的堿金屬氣體原子，以使所述氣室中的所述堿金屬氣體原子躍遷到所述第一激發態，其中，所述堿金屬氣體無極燈中所充堿金屬氣體與所述氣室中的堿金屬氣體種類相同；通過所述氣室中混合的其他氣體原子和/或氣體分子與所述氣室中的所述堿金屬氣體原子的碰撞作用，所述氣室中的所述堿金屬氣體原子從所述第一激發態遷移至與所述第一激發態相近的第二激發態，形成所述第二激發態與基態之間的布局數反轉；在所述氣室所處的諧振腔的反饋作用下，輸出所述第二激發態到所述基態之間躍遷譜線對應頻率的堿金屬氣體激光。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，經過鎖相獲得雙頻激光，或者經過調制獲得η頻激光，包括采用電光調制器對所述堿金屬氣體激光調制后獲得η頻激光；或者對所述堿金屬氣體激光進行雙模鎖相后獲得雙頻激光。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，根據經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬原子氣泡進行激光抽運產生的信號生成標準頻率的信號，包括采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對設置在微波腔中的堿金屬原子氣泡進行抽運，產生微波信號；將采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對設置在微波腔中的堿金屬原子氣泡進行抽運產生的微波信號與微波源的微波信號相比較，產生誤差信號；根據所述誤差信號產生控制信號，將所述控制信號發送給晶振，使得晶振生成標準頻率的信號，并根據所述晶振生成的標準頻率的信號生成用于驅動所述電光調制器的信號。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，根據經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬原子氣泡進行激光抽運產生的信號生成標準頻率的信號，包括采用經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運，產生光信號；采用光電探測器接收經過鎖相獲得的雙頻激光或者經過調制獲得的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運所產生的光信號，并將接收到的光信號轉換成電信號；根據光電探測器轉換成的電信號生成控制信號，將所述控制信號發送給晶振，使得晶振生成標準頻率的信號，并根據所述晶振生成的標準頻率的信號生成用于驅動所述電光調制器的信號。
6.一種相干布局數囚禁原子鐘，其特征在于，包括堿金屬氣體激光器，用于將堿金屬氣體無極燈作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光；堿金屬原子氣泡；激光獲取裝置，用于對所述堿金屬氣體激光經過鎖相獲得雙頻激光，或者用于對所述堿金屬氣體經過調制獲得η頻激光，η為大于或等于2的自然數；信號生成裝置，用于根據將經過鎖相獲得的雙頻激光或經過調制獲得的η頻激光對所述堿金屬原子氣泡進行抽運產生的信號生成標準頻率的信號。
7.根據權利要求6所述的相干布局數囚禁原子鐘，其特征在于，所述堿金屬氣體激光器包括依次設置的堿金屬氣體無極燈、濾光裝置和聚焦透鏡，用于產生在第一激發態到基態之間躍遷譜線的泵浦光源；帶壓電陶瓷的激光諧振腔，所述激光諧振腔的一端靠近所述聚焦透鏡一側設置有激光高反泵浦光透射鏡，所述激光諧振腔的另一端靠近壓電陶瓷一側設置有耦合透鏡；設置于所述激光諧振腔內的氣室，所述氣室內充有與所述堿金屬氣體無極燈內相同的堿金屬氣體，并混合有用于與所述氣室內的堿金屬氣體原子碰撞的其他氣體原子和/或氣體分子，形成堿金屬氣體激光。
8.根據權利要求6或7所述的相干布局數囚禁原子鐘，其特征在于，所述激光獲取裝置為電光調制器或者雙模鎖相裝置。
9.根據權利要求6或7所述的相干布局數囚禁原子鐘，其特征在于，所述信號生成裝置包括設置在堿金屬原子氣泡外部的微波腔、微波源、第一控制模塊和晶振；所述微波源用于根據所述晶振生成的標準頻率的信號生成用于驅動所述電光調制器的信號；所述第一控制模塊用于將所述微波腔輸出的微波信號與所述微波源輸出的微波信號相比較，產生誤差信號，并根據所述誤差信號產生控制信號，將所述控制信號發送給晶振， 使得晶振產生標準頻率的信號。
10.根據權利要求6或7所述的相干布局數囚禁原子鐘，其特征在于，所述信號生成裝置包括光電探測器、微波源、第二控制模塊和晶振所述微波源用于根據所述晶振生成的標準頻率的信號生成用于驅動所述電光調制器的信號；所述光電探測器用于將經過鎖相獲取的雙頻激光或經過調制獲取的η頻激光對堿金屬原子氣泡進行抽運產生的光信號轉換成電信號；所述第二控制模塊用于根據所述光電探測器轉換成的電信號生成控制信號，將所述控制信號發送給晶振，使得所述晶振生成標準頻率的信號。
全文摘要
本發明提供一種相干布局數囚禁原子鐘及其實現方法，其中方法包括將堿金屬氣體無極燈濾光后作為泵浦光源對氣室中的堿金屬氣體原子進行泵浦，實現布局數反轉后在激光諧振腔作用下形成堿金屬氣體激光；對堿金屬氣體激光進行處理，經過鎖相獲得雙頻激光，或經過調制獲得n頻激光；采用獲得的激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運，根據激光對堿金屬原子氣泡進行激光抽運產生的信號生成標準頻率的信號。本發明采用堿金屬激光作為CPT原子鐘的激光光源，增強了堿金屬激光的頻率的穩定性，提高了CPT原子鐘的精度和可靠性。另外，作為增益介質的堿金屬氣體壽命長，即使工作在較高溫度下，堿金屬激光器的壽命也可以達到二十年，增加了CPT原子鐘的壽命。
文檔編號H03L7/26GK102377431SQ20101024833
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月6日 優先權日2010年8月6日
發明者陳景標 申請人:北京大學