专利名称：相干布局数囚禁原子钟及其实现方法
技术领域：
本发明涉及原子钟与频率标准技术领域，尤其涉及一种相干布局数囚禁 (Coherent Population Trapping，简称CPT)原子钟及其实现方法。
背景技术：
CPT原子钟是基于两束频差等于原子的钟跃迁频率的相干激光与三能级原子相互作用时由于CPT而形成的相干暗态的窄线宽谱和相干微波辐射所实现的原子钟。目前国际上的CPT原子钟所用的激光器都是半导体激光器，尤其是可以高频调制的垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，简称 VCSEL)。通常，半导体激光器或VCSEL有几个纳米的增益带宽，在原子钟长期工作过程中，半导体激光器或VCSEL的频率会漂移，从而影响原子钟的精度和可靠性。另外，为了提高CPT原子钟的信噪比，需要让原子气泡工作在较高温度下，而VCSEL工作在较高温度下时，寿命会变短， 从而导致CPT原子钟的寿命变短。
发明内容
本发明提供一种CPT原子钟及其实现方法，用以提高现有技术中CPT原子钟的精度和可靠性，解决CPT原子钟寿命短的问题。本发明提供了一种CPT原子钟实现方法，包括将碱金属气体无极灯滤光后作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦， 实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光；对所述碱金属气体激光进行处理，经过锁相获得双频激光，或者经过调制获得η 频激光，η为大于或等于2的自然数；采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，根据所述经过锁相获得的双频激光，或者经过调制获得的η频激光对所述碱金属原子气泡进行激光抽运产生的信号生成标准频率的信号。本发明还提供了一种CPT原子钟，包括碱金属气体激光器，用于将碱金属气体无极灯作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光；碱金属原子气泡；激光获取装置，用于对所述碱金属气体激光经过锁相获得双频激光，或者用于对所述碱金属气体经过调制获得η频激光，η为大于或等于2的自然数；信号生成装置，用于根据将经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对所述碱金属原子气泡进行抽运产生的信号生成标准频率的信号。本发明提供的CPT原子钟及其实现方法，采用碱金属激光作为CPT原子钟的激光光源，该碱金属激光采用碱金属气体无极灯作为泵浦光源，对碱金属气体无极灯发射的光源进行滤光即可满足为了达到布局数反转要求的一种或几种不同波长的泵浦需求，确保了泵浦光源的频率稳定性和泵浦效率，无需对泵浦光源的波长或频率进行稳频控制，因此泵浦光源能够长期连续工作，从而增强了碱金属激光的频率的稳定性，提高了 CPT原子钟的精度和可靠性。另外，本发明中作为增益介质的碱金属气体寿命长，即使工作在较高温度下，碱金属激光器的寿命也可以达到二十年，相对于现有技术，增加了 CPT原子钟的寿命。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1所示为本发明CPT原子钟实现方法的流程图；图2所示为本发明各实施例中涉及到的碱金属气体原子能级示意图；图3所示为本发明各实施例中涉及到的铷原子能级结构示意图；图4所示为本发明CPT原子钟的结构示意图；图5所示为本发明CPT原子钟实施例一的结构示意图；图6所示为本发明CPT原子钟实施例二的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示为本发明CPT原子钟实现方法的流程图，包括步骤101、将碱金属气体无极灯作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光。本发明中，碱金属可以包括锂、铯、铷、钾、钠等。步骤102、对碱金属气体激光进行处理，经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光，η为大于或等于2的自然数。步骤103、采用经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，根据经过锁相获得的双频激光，或者经过调制获得的η频激光对所述碱金属元气气泡进行激光抽运产生的信号生成标准频率的信号。步骤101具体可以包括步骤1011采用碱金属气体无极灯产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光泵浦气室中的碱金属气体原子，以使气室中的碱金属气体原子跃迁到所述第一激发态，其中，碱金属气体无极灯中所充碱金属气体与气室中的碱金属气体种类相同。例如用铯无极灯泵浦铯气体原子，或用铷无极灯泵浦铷气体原子。如图2所示为本发明各实施例中涉及到的碱金属气体原子能级示意图，采用碱金属气体无极灯产生在激发态np 2Pv2到基态ns %1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态np 2P3/2 ；或者采用碱金属气体无极灯产生在激发态np 2Pv2到基态ns%1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态np 2P172 ；或者采用碱金属气体无极灯产生在激发态(n+l)p 2Pv2到基态ns 之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态(n+l)p 2P372 ；或者采用碱金属气体无极灯产生在激发态(n+1) P2Pv2 到基态ns %1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态(n+l)P 2P1/2。步骤1012、通过气室中混合的其他气体原子和/或气体分子与气室中的碱金属气体原子的碰撞作用，气室中的碱金属气体原子从第一激发态迁移至与第一激发态相近的第二激发态，形成第二激发态与基态之间的布局数反转。结合图2所示，气室中的碱金属气体原子从第一激发态迁移至与所述第一激发态相近的第二激发态，形成第二激发态与基态之间的布局数反转具体可以是激发态np 2P372 的碱金属气体原子转移到激发态np 2P1/2，从而形成激发态np 2P1/2与基态ns 之间的布局数反转；或者激发态np 2Pv2的碱金属气体原子转移到激发态np 2Pv2，从而形成激发态np 2Pv2与基态ns 之间的布局数反转；或者激发态(n+l)p 2P3/2的碱金属气体原子转移到激发态(n+l)p 2P1/2，从而形成激发态(n+l)p 2P1/2与基态ns %1/2之间的布局数反转；或者激发态(n+l)p 2P172的碱金属气体原子转移到激发态(n+l)p2P3/2，从而形成激发态 (n+l)p 2Pv2与基态ns 之间的布局数反转。本发明实施例中，步骤1012中为了形成激发态np 2Pv2与基态ns %1/2之间的布局数反转，或形成激发态(n+l)p 2Pv2与基态ns %1/2之间的布局数反转，需要调节所采用碱金属气体无极灯产生在激发态np 2P1/2或(n+l)p2P1/2到基态ns 之间跃迁谱线所发泵浦光中的各不同成分谱线强度。对于铯原子，可以将铯气体无极灯中的基态6s 的原子总角动量F = 3或F = 4对应谱线成分的光滤除。对于原子量为87的铷原子，可以将铯气体无极灯中的基态k 2S172的F = 1或F = 2对应谱线成分的光滤除。步骤1013、在气室所处的谐振腔的反馈作用下，输出第二激发态到基态之间跃迁谱线对应频率的碱金属气体激光。结合图2所示，频率分别对应激发态np 2Pv2到基态ns 之间跃迁谱线、或激发态np 2Pv2到基态ns 之间跃迁谱线、或激发态(n+l)p 2Pv2到基态ns %1/2之间跃迁谱线、或激发态(n+l)p 2Pv2到基态ns %1/2之间跃迁谱线。在本发明实施例中，处于谐振腔内的气室中的碱金属气体原子和混合的其他气体原子和/或气体分子统称为增益介质，下文中有类似描述将不再具体声明。其中，混合的其他气体原子和/或气体分子包括猝灭气体如乙烷或氦的原子或分子和缓冲气体(如氩、氪、 氙等)的原子或分子。在图1所示的方法中，还可以通过控制激光器的谐振腔的Q值，使腔模线宽小于或大于激光增益线宽，从而调节输出激光的线宽；还可以控制激光器的谐振腔的长度，以调节输出激光的输出频率。另外，由于增益介质是气体，气体的原子之间的相互作用较小，且激光器的谐振腔较长，输出激光的线宽将明显窄于普通的半导体激光器输出的激光的线宽。需要说明的是，在本发明各实施例中所称的“第一激发态”和“与第一激发态相近的第二激发态”，是为了描述方便对两个相邻近的激发态的命名上的区分。即在本发明实施例中，如果第一激发态是(n+l)p 2P1/2，那么第二激发态即为(n+l)p 2P3/2 ；如果第一激发态是np 2Pv2，那么第二激发态即为np 2P1/2。步骤102可以包括采用电光调制器对碱金属气体激光调制后获得η频激光。具体地，可以采用石英晶振和频率综合器提供频率等于原子钟跃迁频率的电信号，该电信号驱动电光调制器调制器碱金属气体激光，获得η个频率的、相干的且带旁频的激光。其中， 两个频率的激光的频率差可以等于碱金属原子的钟跃迁频率。以铷87原子为例，钟跃迁频率是6. 834GHz，可以用有石英晶振和频率综合器提供的频率为3.417GHz的电信号调制电光调制器，用电光调制器调制碱金属气体激光，从而得到对应的旁频，得到的旁频包括频率差等于钟跃迁频率是6. 834GHz的两个频率的激光。以碱金属是铷为例，如图3所示为本发明各实施例中涉及到的铷原子能级结构示意图，激光的两个频率分别对应于铷原子的k 2S172F = 1态到5p 2P172F = 1态的跃迁频率和k 2S172F = 2态到5p 2P172F = 1态的跃迁频率。或者，激光的两个频率分别对应于铷原子的5s 2S172F = 1态到5p 2P172F = 2态的跃迁频率和5s 2S172F = 2态到5p 2P172F = 2态的跃迁频率。或者，步骤102可以对碱金属气体激光进行双模锁相后获得双频激光。例如，可以采用激光技术领域中的锁相技术进行双模锁相后获得双频激光。双频激光的频率差可以由快速光电检测器测量，双频激光的频率差可以由激光谐振腔的腔长控制。步骤103中，用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，碱金属原子基态的两个钟跃迁子能级被两个相干激光场耦合作用下，碱金属原子被相干地囚禁在两个子能级组成的量子暗态里，不再吸收光子。CPT原子钟可以包括主动型CPT原子钟和被动型CPT原子钟。对于主动型CPT原子钟，碱金属原子气泡设置在微波腔中，碱金属原子气泡中充有所需的缓冲气体，碱金属原子气泡还可以设置在直流磁场(本领域中通常称作C场)中，碱金属气体原子气泡还外围还可以设置磁屏蔽和温度控制装置，处于相干布局数囚禁态时的碱金属原子在微波腔的耦合作用下输出作为相干激射的微波。对于主动型CPT原子钟，步骤103可以包括采用经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对设置在微波腔中的碱金属原子气泡进行抽运，产生微波信号；将采用经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对设置在微波腔中的碱金属原子气泡进行抽运产生的微波信号与微波源的微波信号相比较，产生误差信号；根据误差信号产生控制信号，将控制信号发送给晶振，使得晶振生成标准频率的信号，并根据晶振生成的标准频率的信号生成用于驱动电光调制器的信号。对于被动型CPT原子钟，碱金属原子气泡不需要设置在微波腔中，经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光直接对碱金属原子气泡进行抽运产生光信号。对于被动型CPT原子钟，步骤103可以包括采用经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行抽运，产生光信号；采用光电探测器接收经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行抽运所产生的光信号，并将接收到的光信号转换成电信号；根据光电探测器转换成的电信号生成控制信号， 将控制信号发送给晶振，使得晶振生成标准频率的信号，并根据晶振生成的标准频率的信号生成用于驱动所述电光调制器的信号。本实施例提供的CPT原子钟实现方法，采用碱金属激光作为CPT原子钟的激光光源，该碱金属激光采用碱金属气体无极灯作为泵浦光源，对碱金属气体无极灯发射的光源进行率光即可满足为了达到布局数反转要求的一种或几种不同波长的泵浦需求，确保了泵浦光源的频率稳定性和泵浦效率，无需对泵浦光源的波长或频率进行稳频控制，因此泵浦光源能够长期连续工作，从而增强了碱金属激光的频率的稳定性，提高了 CPT原子钟的精度和可靠性。另外，本发明中作为增益介质的碱金属气体寿命长，即使工作在较高温度下， 碱金属激光器的寿命也可以达到二十年，相对于现有技术，增加了 CPT原子钟的寿命。如图4所示为本发明CPT原子钟的结构示意图，该CPT原子钟包括碱金属气体激光器11、碱金属原子气泡12、激光获取装置13和信号生成装置14。碱金属气体激光器11 用于将碱金属气体无极灯作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光。碱金属原子气泡12可以是一个玻璃做成的充有碱金属气体的气泡。激光获取装置13用于对碱金属气体激光器11形成的碱金属气体激光经过锁相获得双频激光，或者用于对碱金属气体经过调制获得η频激光。信号生成装置用于将经过锁相获得的双频激光，或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行抽运产生的信号生成标准频率的信号。其中，碱金属气体激光器可以包括依次设置的碱金属气体无极灯111、滤光装置 112和聚焦透镜113，用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线的泵浦光源。还包括带压电陶瓷114的激光谐振腔，该激光谐振腔的一端靠近聚焦透镜113 —侧设置有激光高反泵浦光透射镜115，激光谐振腔的另一端靠近压电陶瓷114 一侧设置有耦合透镜116。还包括设置于激光谐振腔内的气室117，气室117内充有与碱金属气体无极灯111内相同的碱金属气体，并混合有用于与气室117内的碱金属气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子， 形成碱金属气体激光。其中，激光获取装置可以为电光调制器或者双模锁相装置。如图5所示为本发明CPT原子钟实施例一的结构示意图，该CPT原子钟是一种主动型的CPT原子钟，该实施例提供的CPT原子钟在如图4所示的CPT原子钟的基础上，还包括隔离器15、分光镜16、反射镜17、四分之一波片18和碱金属原子谱稳频系统22，信号生成装置包括设置在碱金属原子气泡12外部的微波腔141、微波源142、第一控制模块143和晶振144。隔离器15和分光镜16依次设置在压电陶瓷114和激光获取装置之间，本实施例中激光获取装置是电光调制器23，从分光镜16分出的一路光信号输入到碱金属原子谱稳频系统22，碱金属原子谱稳频系统22输出信号给压电陶瓷114，通过压电陶瓷114控制谐振腔的腔长，从而稳定激光谐振腔输出的激光的频率。反射镜17和四分之一波片18依次设置在电光调制器23和微波腔141之间。碱金属原子气泡12设置在微波腔141内部。其中，微波源142用于根据晶振144生成的标准频率的信号生成用于驱动电光调制器23的信号。第一控制模块143用于将微波腔141输出的微波信号与微波源142输出的微波信号相比较，产生误差信号，并根据误差信号产生控制信号，将控制信号发送给晶振144，使得晶振 144产生标准频率的信号。图5中，微波腔141的外部还可以设置有C场线圈对、温度控制装置25和磁屏蔽装置26。该主动型CPT原子钟的工作原理为碱金属气体无极灯111产生发出的光经过滤光装置112和聚焦透镜113后产生第一激发态到基态之间的跃迁谱线的泵浦光源，该泵浦光源与激光谐振腔内气室117中的增益介质相互作用，形成碱金属激光。气室117的两个玻璃端面可以镀上增透膜来减低泵浦光源和激光的损耗。以碱金属是铷为例，经过滤光后的780. Onm的仏谱线作为泵浦光源，铷原子气泡被泵浦光源激发到仏谱线的激发态，即5p 2P372态，通过气室117中混杂的乙烷和氦气作用，这些被激发到A谱线的激发态的原子转移到5p 2P172态，也就是D1谱线的激发态，形成了 D1谱线的激发态与基态之间的原子布局数反转。在激光谐振腔的反馈下，形成794. 8nm波长附近的D1谱线的激光输出，通过激光谐振腔腔长的调节将激光频率在铷原子谱上锁定在D1谱线中的& %1/2，F= 1能级到5p 2P172, F' =2能级对应的频率上。碱金属激光通过隔离器15和分光镜16，一部分激光输入到电光调制器23，一部分激光输入到碱金属原子谱稳频系统22。碱金属原子谱稳频系统22根据输入的激光产生压电陶瓷控制信号，压电陶瓷控制信号发送给压电陶瓷114，通过压电陶瓷114可以控制激光谐振腔的腔长，从而控制输出的碱金属激光的频率。电光调制器23对输入的激光进行调制后产生η频激光，激光经过反射镜17和四分之一波片18后形成圆偏振光。圆偏振光对碱金属原子气泡12进行抽运，微波腔141将圆偏振光对碱金属原子气泡12进行抽运产生的信号反射，形成驻波，输出相干微波信号。第一控制模块143将微波腔141输出的微波信号与微波源142输出的微波信号相比较，产生误差信号，并根据误差信号产生控制信号，将控制信号发送给晶振144，使得晶振产生标准频率的信号。另外，微波源142根据晶振144生成的标准频率的信号生成用于驱动电光调制器23的信号。从图5中可以看出，第一控制模块143通过生成误差信号控制晶振144产生的信号的频率，而误差信号的产生依赖于微波源生成的微波信号和电光调制器23产生的η频激光与碱金属原子气泡的相互作用产生的信号形成的微波信号，也就是说误差信号的产生依赖于微波源的微波信号和电光调制器生成的激光的频率，这实际上是形成了一个闭环控制，使得晶振输出的信号能够稳定在标准频率。如图6所示为本发明CPT原子钟实施例二的结构示意图，该CPT原子钟是一种被动型的CPT原子钟，该CPT原子钟的信号生成装置14包括光电探测器145、微波源142、第二控制模块146和晶振144。其中，光电探测器145用于将η频激光对碱金属原子气泡进行抽运产生的光信号转换成电信号。第二控制模块146用于根据光电探测器145转换成的电信号生成控制信号，将控制信号发送给晶振144，使得晶振144生成标准频率的信号。图6所示的CPT原子钟与图5所示的CPT原子钟的主要区别之处在于图6中，不包括微波腔141，而图5中，信号生成装置包括微波腔141。图6中包括光电探测器145，第二控制模块146根据光电探测器145生成的电信号产生控制信号；而图5中，不包括光电探测器145，第一控制模块143根据微波源142和微波腔141生成的误差信号来生成控制信号。该被动型CPT原子钟与主动型CPT原子钟产生激光的工作原理基本相同，区别之处在于被动型CPT原子钟与主动型CPT原子钟调整输出的标准频率的原理不同。被动型CPT原子钟没有微波腔141，采用η频激光对碱金属原子气泡12进行抽运产生的光信号经过光电探测器145后转换成电信号，第二控制模块146根据光电探测器145 转换成的电信号生成控制信号，将控制信号发送给晶振，使得晶振生成标准频率的信号。另外，微波源142根据晶振144生成的标准频率的信号生成用于驱动电光调制器23的信号。
在被动型CPT原子钟中，光电探测器145探测到实际上是一种荧光谱线信号，包括共振暗线或透射光的亮线信号，被检测的荧光谱线信号与钟跃迁频率失谐有关，第二控制模块146根据这种荧光谱线信号生成控制信号。图6中，一旦光电探测器探测到的信号发生偏差，则第二控制模块可以控制晶振输出的频率，并且根据晶振输出的信号可以控制电光调制器生成的η频激光的频率，进而使得光电探测器探测到的信号趋近于目标信号，实际上也是形成了一种闭环控制。被动型CPT原子钟由于不需要微波腔，因此整体的结构可以小型化和微型化，结合微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)，可以制成芯片型的 CPT原子钟。图5和图6中是以激光获取装置是电光调制器为例来介绍，如果激光获取装置是双模锁相装置，则也可以根据双频激光与碱金属原子气泡相互作用产生的信号作为反馈信号来控制双模锁相装置输出的双频的激光的频率。具体地可以采用一些控制技术实现。本发明提供的CPT原子钟，采用碱金属激光作为CPT原子钟的激光光源，该碱金属激光采用碱金属气体无极灯作为泵浦光源，对碱金属气体无极灯发射的光源进行滤光即可满足为了达到布局数反转要求的一种或几种不同波长的泵浦需求，确保了泵浦光源的频率稳定性和泵浦效率，无需对泵浦光源的波长或频率进行稳频控制，因此泵浦光源能够长期连续工作，从而增强了碱金属激光的频率的稳定性。另外，本发明中作为增益介质的碱金属气体寿命长，即使工作在较高温度下，碱金属激光器的寿命也可以达到二十年，相对于现有技术，增加了 CPT原子钟的寿命，提高了 CPT原子钟的精度和可靠性。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种相干布局数囚禁原子钟实现方法，其特征在于，包括将碱金属气体无极灯滤光后作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光；对所述碱金属气体激光进行处理，经过锁相获得双频激光，或者经过调制获得η频激光，η为大于或等于2的自然数；采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，根据经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对所述碱金属原子气泡进行激光抽运产生的信号生成标准频率的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将碱金属气体无极灯滤光后作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光，包括采用碱金属气体无极灯产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光泵浦气室中的碱金属气体原子，以使所述气室中的所述碱金属气体原子跃迁到所述第一激发态，其中，所述碱金属气体无极灯中所充碱金属气体与所述气室中的碱金属气体种类相同；通过所述气室中混合的其他气体原子和/或气体分子与所述气室中的所述碱金属气体原子的碰撞作用，所述气室中的所述碱金属气体原子从所述第一激发态迁移至与所述第一激发态相近的第二激发态，形成所述第二激发态与基态之间的布局数反转；在所述气室所处的谐振腔的反馈作用下，输出所述第二激发态到所述基态之间跃迁谱线对应频率的碱金属气体激光。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经过锁相获得双频激光，或者经过调制获得η频激光，包括采用电光调制器对所述碱金属气体激光调制后获得η频激光；或者对所述碱金属气体激光进行双模锁相后获得双频激光。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，根据经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对所述碱金属原子气泡进行激光抽运产生的信号生成标准频率的信号，包括采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对设置在微波腔中的碱金属原子气泡进行抽运，产生微波信号；将采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对设置在微波腔中的碱金属原子气泡进行抽运产生的微波信号与微波源的微波信号相比较，产生误差信号；根据所述误差信号产生控制信号，将所述控制信号发送给晶振，使得晶振生成标准频率的信号，并根据所述晶振生成的标准频率的信号生成用于驱动所述电光调制器的信号。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，根据经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对所述碱金属原子气泡进行激光抽运产生的信号生成标准频率的信号，包括采用经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行抽运，产生光信号；采用光电探测器接收经过锁相获得的双频激光或者经过调制获得的η频激光对碱金属原子气泡进行抽运所产生的光信号，并将接收到的光信号转换成电信号；根据光电探测器转换成的电信号生成控制信号，将所述控制信号发送给晶振，使得晶振生成标准频率的信号，并根据所述晶振生成的标准频率的信号生成用于驱动所述电光调制器的信号。
6.一种相干布局数囚禁原子钟，其特征在于，包括碱金属气体激光器，用于将碱金属气体无极灯作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光；碱金属原子气泡；激光获取装置，用于对所述碱金属气体激光经过锁相获得双频激光，或者用于对所述碱金属气体经过调制获得η频激光，η为大于或等于2的自然数；信号生成装置，用于根据将经过锁相获得的双频激光或经过调制获得的η频激光对所述碱金属原子气泡进行抽运产生的信号生成标准频率的信号。
7.根据权利要求6所述的相干布局数囚禁原子钟，其特征在于，所述碱金属气体激光器包括依次设置的碱金属气体无极灯、滤光装置和聚焦透镜，用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线的泵浦光源；带压电陶瓷的激光谐振腔，所述激光谐振腔的一端靠近所述聚焦透镜一侧设置有激光高反泵浦光透射镜，所述激光谐振腔的另一端靠近压电陶瓷一侧设置有耦合透镜；设置于所述激光谐振腔内的气室，所述气室内充有与所述碱金属气体无极灯内相同的碱金属气体，并混合有用于与所述气室内的碱金属气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子，形成碱金属气体激光。
8.根据权利要求6或7所述的相干布局数囚禁原子钟，其特征在于，所述激光获取装置为电光调制器或者双模锁相装置。
9.根据权利要求6或7所述的相干布局数囚禁原子钟，其特征在于，所述信号生成装置包括设置在碱金属原子气泡外部的微波腔、微波源、第一控制模块和晶振；所述微波源用于根据所述晶振生成的标准频率的信号生成用于驱动所述电光调制器的信号；所述第一控制模块用于将所述微波腔输出的微波信号与所述微波源输出的微波信号相比较，产生误差信号，并根据所述误差信号产生控制信号，将所述控制信号发送给晶振， 使得晶振产生标准频率的信号。
10.根据权利要求6或7所述的相干布局数囚禁原子钟，其特征在于，所述信号生成装置包括光电探测器、微波源、第二控制模块和晶振所述微波源用于根据所述晶振生成的标准频率的信号生成用于驱动所述电光调制器的信号；所述光电探测器用于将经过锁相获取的双频激光或经过调制获取的η频激光对碱金属原子气泡进行抽运产生的光信号转换成电信号；所述第二控制模块用于根据所述光电探测器转换成的电信号生成控制信号，将所述控制信号发送给晶振，使得所述晶振生成标准频率的信号。
全文摘要
本发明提供一种相干布局数囚禁原子钟及其实现方法，其中方法包括将碱金属气体无极灯滤光后作为泵浦光源对气室中的碱金属气体原子进行泵浦，实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成碱金属气体激光；对碱金属气体激光进行处理，经过锁相获得双频激光，或经过调制获得n频激光；采用获得的激光对碱金属原子气泡进行激光抽运，根据激光对碱金属原子气泡进行激光抽运产生的信号生成标准频率的信号。本发明采用碱金属激光作为CPT原子钟的激光光源，增强了碱金属激光的频率的稳定性，提高了CPT原子钟的精度和可靠性。另外，作为增益介质的碱金属气体寿命长，即使工作在较高温度下，碱金属激光器的寿命也可以达到二十年，增加了CPT原子钟的寿命。
文档编号H03L7/26GK102377431SQ20101024833
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者陈景标 申请人:北京大学