基于激光器的温度控制系统及方法与流程

本发明涉及原子钟，具体提供一种基于激光器的温度控制系统及方法。

背景技术：

1、cpt原子钟通常包含激光稳频环路和微波稳频环路，激光稳频环路，通过在注入激光器的电流上叠加浅幅调制，通过解调获得激光频率的纠偏信号，用于反馈锁定激光频率；微波稳频环路通过配置锁相环输出调制的微波，通过解调方法获得微波频率的纠偏信号，用于反馈锁定微波频率。

2、通过以上两个环路即可实现原子钟的功能，但是采用这种激光电流调制方法可能造成激光频率失谐，还可能会引起激光光强变化，从而影响激光频率的稳定性和cpt原子钟的计时精准度。

3、为此，本申请提出了一种基于激光器的温度控制方案，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，提出了本申请，以提供解决或至少部分地解决的cpt原子钟的激光频率失谐的技术问题。本申请提供了一种基于激光器的温度控制系统及方法。

2、在第一方面，本申请提供一种基于激光器的温度控制系统，所述系统包括电流源、微波源、耦合器、激光器、分光器、物理系统、第一光探测器和主控单元，其中

3、所述电流源用于输出电流信号；

4、所述微波源用于输出射频信号；

5、所述耦合器用于将所述射频信号耦合至所述电流信号，以驱动所述激光器输出多色相干激光；

6、所述分光器用于将所述多色相干激光划分为第一多色相干激光和第二多色相干激光，其中所述第一多色相干激光与所述物理系统中的原子作用获得的光信号经由所述第一光探测器转换为第一电信号；

7、所述主控单元用于基于所述第一电信号生成温度控制信号，以实现对所述激光器的温度调节。

8、在本申请一个方式中，所述第一电信号包括原子吸收谱；

9、所述温度控制系统还包括第一模数转换器，所述第一模数转换器连接在第一光探测器与主控单元之间，所述第一模数转换器用于将所述原子吸收谱转换为第一数字信号；

10、所述主控单元进一步用于：对所述第一数字信号进行滤波，获得第一调制信号；对所述第一调制信号进行解调，获得原子吸收谱的微分信号；对所述原子吸收谱的微分信号进行反馈调节获得所述温度控制信号。

11、在本申请一个方式中，所述温度控制系统还包括温控电路，所述温控电路连接在所述主控单元与所述激光器之间，所述温控电路用于基于所述温度控制信号调节所述温控电路的温度并输出第一电流信号，所述第一电流信号用于加热或制冷所述激光器以实现对所述激光器的温度控制。

12、在本申请一个方式中，所述第一电信号还包括cpt共振谱；

13、所述温度控制系统还包括第二模数转换器，所述第二模数转换器连接在第一光探测器与主控单元之间，所述第二模数转换器用于将所述cpt共振谱转换为第二数字信号；

14、所述主控单元进一步用于：对所述第二数字信号进行滤波，获得第二调制信号；对所述第二调制信号进行解调，获得cpt共振谱的微分信号；对所述cpt共振谱的微分信号进行反馈调节获得频率控制信号，所述频率控制信号用于控制所述微波源的输出频率。

15、在本申请一个方式中，所述温度控制系统还包括第二光探测器和第三模数转换器，所述第二光探测器和所述第三模数转换器依次连接在分光器与主控单元之间；

16、所述第二光探测器用于将所述第二多色相干激光转换为第二电信号；

17、所述第三模数转换器用于将所述第二电信号转换为第三数字信号；

18、所述主控单元进一步用于：将所述第三数字信号与激光光强参考值进行比较，对比较结果进行反馈调节获得功率控制信号，所述功率控制信号用于控制所述微波源的输出功率。

19、在本申请一个方式中，所述第一多色相干激光和第二多色相干激光的光强强度相等。

20、在第二方面，提供一种基于激光器的温度控制系统的控制方法，所述系统包括电流源、微波源、耦合器、激光器、分光器、物理系统、第一光探测器、主控单元和温控电路；所述方法包括：

21、对所述温度控制系统进行初始化；

22、在激光器的温度稳定后设置温控电路的温度扫描范围，所述温度扫描范围至少包括最小温度和最大温度；

23、控制温度从所述最小温度到所述最大温度进行线性扫描，以基于第一光探测器输出的第一电信号获得原子吸收谱；

24、将所述原子吸收谱转换为第一数字信号；

25、对所述第一数字信号进行滤波，获得第一调制信号；对所述第一调制信号进行解调，获得原子吸收谱的微分信号；对所述原子吸收谱的微分信号进行反馈调节获得温度控制信号；基于所述温度控制信号控制温控电路的温度以使所述原子吸收谱锁定在最大峰值上。

26、在本申请一个实施方式中，所述对所述温度控制系统进行初始化，包括：设置温控电路的初始温度和调制频率，设置电流源的输出电流，设置微波源的输出频率、输出功率和调制频率。

27、在本申请一个实施方式中，所述方法还包括：

28、设置微波源的频率扫描范围，所述频率扫描范围至少包括最小频率和最大频率；

29、控制频率从最小频率到最大频率进行线性扫描，以基于第一光电探测器输出的第一电信号获得cpt共振谱；

30、将所述cpt共振谱转换为第二数字信号；

31、对所述第二数字信号进行滤波，获得第二调制信号；对所述第二调制信号进行解调，获得cpt共振谱的微分信号；对所述cpt共振谱的微分信号进行反馈调节获得频率控制信号，所述频率控制信号用于控制微波源的输出频率以使所述cpt共振谱锁定在最大峰值上。

32、在本申请一个实施方式中，所述系统还包括第二光探测器；所述方法还包括：

33、获取第二光探测器输出的第二电信号；

34、将所述第二电信号转换为第三数字信号；

35、将所述第三数字信号与激光光强参考值进行比较，对比较结果进行反馈调节获得功率控制信号，所述功率控制信号用于控制微波源的输出功率，以将所述第三数字信号稳定在所述激光光强参考值上。

36、本申请上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

37、本申请中的基于激光器的温度控制系统包括电流源、微波源、耦合器、激光器、分光器、物理系统、第一光探测器和主控单元，其中电流源用于输出电流信号；微波源用于输出射频信号；耦合器用于将射频信号耦合至电流信号，以驱动激光器输出多色相干激光；分光器用于将多色相干激光划分为第一多色相干激光和第二多色相干激光，其中第一多色相干激光与物理系统中的原子作用获得的光信号经由第一光探测器转换为第一电信号；主控单元用于基于第一电信号生成温度控制信号，以实现对激光器的温度调节。如此，采用调节激光器温度的方法实现激光稳频环路的调节，取代了传统的调制激光器电流的方法，从而实现在恒定电流下的激光频率锁定，消除了激光频率失谐，有利于系统的激光频率的稳定，提高了cpt原子钟的计时精度。

技术特征：

1.一种基于激光器的温度控制系统，其特征在于，所述系统包括电流源、微波源、耦合器、激光器、分光器、物理系统、第一光探测器和主控单元，其中

2.根据权利要求1所述的基于激光器的温度控制系统，其特征在于，所述第一电信号包括原子吸收谱；

3.根据权利要求1所述的基于激光器的温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统还包括温控电路，所述温控电路连接在所述主控单元与所述激光器之间，所述温控电路用于基于所述温度控制信号调节所述温控电路的温度并输出第一电流信号，所述第一电流信号用于加热或制冷所述激光器以实现对所述激光器的温度控制。

4.根据权利要求1所述的基于激光器的温度控制系统，其特征在于，所述第一电信号还包括cpt共振谱；

5.根据权利要求1所述的基于激光器的温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统还包括第二光探测器和第三模数转换器，所述第二光探测器和所述第三模数转换器依次连接在分光器与主控单元之间；

6.根据权利要求1所述的基于激光器的温度控制系统，其特征在于，所述第一多色相干激光和第二多色相干激光的光强强度相等。

7.一种基于激光器的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述系统包括电流源、微波源、耦合器、激光器、分光器、物理系统、第一光探测器、主控单元和温控电路；所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述对所述温度控制系统进行初始化，包括：设置温控电路的初始温度和调制频率，设置电流源的输出电流，设置微波源的初始输出频率、初始输出功率和调制频率。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述系统还包括第二光探测器；所述方法还包括：

技术总结
本申请涉及原子钟技术领域，具体提供一种基于激光器的温度控制系统及方法，旨在解决CPT原子钟的激光频率失谐的技术问题。为此目的，本申请的基于激光器的温度控制系统包括电流源、微波源、耦合器、激光器、分光器、物理系统、第一光探测器和主控单元，其中主控单元用于基于第一电信号生成温度控制信号，以实现对激光器的温度调节。采用调节激光器温度的方法实现激光稳频环路的调节，从而实现在恒定电流下的激光频率锁定，消除了激光频率失谐。

技术研发人员：张振伟,李春景
受保护的技术使用者：北京飞秒留声科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13